Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя
В 11-ом томе Краткой истории астрономии рассказано об истории поисков темной материи. Текст сложный, но очень интересный. Наверное, это самое интересное направление в современной науке. Мы столкнулись с тем, что не можем объяснить. Только предполагать. Звезды на краях галактик вращаются быстрее, чем им положено. Также темная материя должна отвечать за динамическую устойчивость скоплений галактик, параметры гравитационного линзирования, быстрый рост неоднородностей в ранней Вселенной, форму спектра мощности реликтового излучения и некоторые другие явления. Легче всего эти эффекты объяснить скрытой массой. И понеслось. Вспоминается, трудно найти черную кошку в темной комнате, особенно, если ее там нет. Неожиданно удалось показать, как работают мозги у ученых. Трудолюбие, поиски, теории, гипотезы, необычные представления и предложения. Все, что делает науку наукой.
Краткая история астрономии
Том 11
Темная материя
Содержание
11-1. Общие понятия о темной материи
11-2. Наблюдения темной материи
11-3. Новые наблюдения темной материи
11-4. Млечный Путь и Солнечная система
11-5.Карликовые галактики
11-6. Гало темной материи
11-7. Рыхлая темная материя и филаменты
11-8. Взаимодействие с темной материей
11-9. DF2 4. Галактики без тм
11-10. Карты и обзоры
11-11. Инструменты
11-12. Поиски WIMP
11-13. Поиск легких частиц
11-14. Перспективные проекты поиска темной материи
11-15. Барионная темная материя. MACHO
11-16. Темная материя и черные дыры
11-17. Первичные черные дыры
11-18. Космология темной материи
11-19. Экзотические теории темной материи
11-20. Теория гравитации MOND
Часть 11-1
Общие понятия о темной материи
Содержание
Том – часть - глава
11-1-1. Темная материя. Справка
11-1-2. История термина «тёмная материя»
11-1-3. Ян Хендрик Оорт
11-1-4. Фриц Цвикки
11-1-5. Хорес Уэлкам Бэбкок
11-1-6. Проблема недостающей массы
11-1-7. Радиоизлучение
11-1-8. Де Хюлст
11-1-9. Массы скоплений галактик
11-1-10. Вера Рубин
11-1-11. Аргументы в пользу существования тёмной материи
11-1-12. Кен Фримен
11-1-13. Наблюдательные доказательства существования темной материи
11-1-14. Теоретические доказательства существования темной материи
11-1-15. Горячая темная материя
11-1-16. Холодная тёмная материя
11-1-17. Джим Пиблс
11-1-18. Нобелевская премия Джима Пиблса
11-1-19. Джон Ричард Бонд
11-1-20. Джордж Р. Блюменталь
11-1-21. Проблема каспов
11-1-22. Возможные объяснения проблемы каспов
11-1-23. Другие сложности в теории холодной тёмной материи
11-1-24. Темная материя и космология
11-1-25. Стандартная космологическая модель (ΛCDM)
11-1-26. История возникновения ΛCDM
Глава 11-1-1
Темная материя. Справка
Темной материей собирательно называют группу отдельных несостыковок современной теоретической астрофизики с наблюдениями. Например, теория предсказывает спадание скорости обращения звезд по мере удаления от центра галактик, но в большинстве случаев этого не наблюдается. Также темная материя должна отвечать за динамическую устойчивость скоплений галактик, параметры гравитационного линзирования, быстрый рост неоднородностей в ранней Вселенной, форму спектра мощности реликтового излучения и некоторые другие явления.
Природа темной материи остается предметом исследований, но большинство предложенных теорий рассматривают ее в виде новой субстанции, которая не взаимодействует посредством электромагнетизма и поэтому не может быть зафиксирована обычными телескопами. Тем не менее, в рамках этой концепции также существует огромное разнообразие вариантов. В частности, неизвестна масса частиц темной материи: высказанные гипотезы рассматривают любые возможности от сверхлегких частиц «размытой» темной материи до объектов с массами в десятки солнечных.
Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.
Глава 11-1-2
История термина «тёмная материя»
Понятие тёмной материи исторически связано с проблемой скрытой массы, когда наблюдаемое движение небесных тел отклоняется от законов небесной механики; как правило, это явление находило объяснение в существовании неизвестного материального тела (или нескольких тел). Именно так были открыты планета Нептун и звезда Сириус B.
Сам же термин «тёмная материя» (фр. matière obscure), возможно, впервые использовал в 1906 году французский физик и математик Анри Пуанкаре, развивая соображения лорда Кельвина относительно оценки массы звёзд Галактики исходя из распределения их скоростей: «Множество наших звёзд, возможно, даже их подавляющее большинство, могут быть тёмными телами (фр. corps sombres, англ. dark bodies)», однако делая иной вывод: «Тёмной материи нет, или, по крайней мере, её не так много, как видимой».
К похожему заключению пришёл в 1915 году и эстонский астроном Эрнст Эпик, а затем, в 1922 году — голландец Якобус Каптейн, который, по всей видимости, первым использовал термин «тёмная материя» (нидерл. donkere materie, англ. dark matter) именно в смысле ненаблюдаемой материи, о существовании которой можно судить лишь по её гравитационному воздействию:
«Таким образом мы можем оценить массу тёмной материи во Вселенной. Если рассматривать её состояние в текущий момент, доля этой массы, судя по всему, не может быть преобладающей».
В том же году британский астроном Джеймс Джинс, также исследовавший движение звёзд в нашей Галактике, пришёл к иному заключению: на каждую видимую звезду приходится две «тёмных». Далее, ученик Каптейна, нидерландец Ян Оорт в 1932 году опубликовал свою, более точную оценку плотности тёмной материи в нашей галактике, конкретно в окрестности Солнечной системы, на основании анализа вертикальных колебаний звёзд относительно плоскости Млечного пути. Он вычислил, что общая плотность вещества превышает плотность обычной видимой материи всего вдвое (так называемый предел Оорта).
То есть плотность тёмной материи примерно равна плотности видимых звёзд и составляет 0,05 Mʘ /пк3. Таким образом, в этот период считалось, что тёмная материя представляет собой в буквальном смысле тёмное вещество, просто не излучающее достаточно света.
Серьёзное исследование тёмной материи, в том числе на внегалактических масштабах, фактически началось с работ Фрица Цвикки, который в 1933 году обнаружил необычно большой разброс радиальных скоростей восьми галактик в скоплении Кома (созвездие Волосы Вероники) — около 1000 км/с. И рассчитал, что для устойчивости скопления его полная масса должна быть в 400 раз больше, чем масса входящих в него звёзд:
«Если это подтвердится, то мы придём к поразительному выводу — что количество тёмной материи гораздо больше, чем светящейся».
В 1937 году Фриц Цвикки уточнил свои расчёты. В его статье упоминается о «тёмной материи, содержащейся в туманностях в виде холодных звёзд, других твёрдых тел и газов», то есть он всё ещё считал её некой разновидностью обычного вещества. Кроме того, Цвикки использовал в расчётах ошибочное (примерно в 8 раз большее) значение постоянной Хаббла и получил соответственно завышенное отношение масса/светимость и, как следствие, завышенное количество тёмной материи. Несмотря на эти нюансы, его принципиальный вывод о её подавляющем вкладе в массу крупномасштабных астрономических объектов стал фундаментальным этапом в истории концепции тёмной материи.
Глава 1-1-3
Ян Хендрик Оорт
Ян Хендрик Оорт (Jan Hendrik Oort; 28 апреля 1900, Франекер — 5 ноября 1992, Лейден) — нидерландский астроном, член Нидерландской АН.
Окончил Гронингенский университет, где обучался у Я. К. Каптейна, в 1921 — 1922 годы работал в альма-матер, в 1922 — 1924 годы — в Йельской обсерватории (США). С 1924 по 1970 гг. работал в Лейденской обсерватории, с 1945 года её директор. В 1926—1970 годах также преподавал в Лейденском университете, с 1945 года профессор.
Основные научные работы посвящены исследованию строения и динамики Галактики и вопросам космогонии. В 1927 году на основе статистического изучения лучевых скоростей и собственных движений звёзд более строго обосновал гипотезу Бертиля Линдблада о вращении Галактики вокруг её центра. Показал, что Галактика вращается не как твердое тело — внутренние её части вращаются быстрее, скорость уменьшается с расстоянием от центра. Определил величину эффекта дифференциального вращения (постоянная Оорта), скорость галактического вращения (220 км/с в окрестности Солнца) и период вращения (220 млн лет в окрестности Солнца). Работы Оорта положили начало изучению динамики Галактики.
Детально рассмотрел роль диффузного вещества в кинематической и динамической картине Галактики. В 1932 году впервые оценил плотность диффузного межзвёздного вещества с помощью z-компоненты скоростей звёзд (перпендикулярной плоскости Галактики) и нашёл её предел — 3⋅10-24 г/см³. В 1938 году показал, что большая часть поглощающего вещества в Галактике сосредоточена в слое толщиной по 200 пк с обеих сторон галактической плоскости; показал также, что звёздная плотность растет в направлении к галактическому центру и что Солнце расположено в области с пониженной звёздной плотностью.
С появлением радиоастрономии продолжал изучение Галактики радиоастрономическими методами — участвовал в установлении крупномасштабной структуры, в исследованиях облаков межзвёздного газа.
Оорт — автор теории протяжённого кометного облака, которое является источником наблюдаемых комет. Это облако простирается до расстояния 150 000 а. е. (2.37 световых лет) от Солнца, и кометы большую часть времени находятся вдали от Солнца и потому невидимы. Под влиянием возмущающего действия ближайших звёзд скорости отдельных комет могут меняться настолько, что последние попадают в окрестности Солнца и становятся видимыми; здесь их орбиты могут изменяться в результате возмущений, вызванных планетами, и кометы могут становиться периодическими.
Совместно с американским астрофизиком Лайманом Спитцером (1914 — 1997 гг.) предложил механизм образования протозвёзд в межзвёздных облаках (сжатие газа под действием давления излучения ранее образовавшихся горячих звёзд).
Совместно с Xендриком ван де Хулстом разработал теорию образования межзвёздных пылевых частиц путём аккреции межзвёздного газа.
Обнаружил, что излучение Крабовидной туманности поляризовано и имеет синхротронную природу.
Оорт содействовал развитию радиоастрономии на европейском континенте: способствовал сооружению радиотелескопа в Вестерборке (Westerbork Synthesis Radio Telescope), а также Европейской южной обсерватории.
В 1958 — 1961 годах был президентом Международного астрономического союза.
Член Нидерландской королевской академии наук (в 1937–1943 гг. и с 1945 г.), почётный член Леопольдины (1973 г.), иностранный член НАН США (1953 г.) и АН СССР (1966 г.), Лондонского королевского общества.
Награды и премии
Премия Жюля Жансена
Золотая медаль Королевского астрономического общества
В его честь названы:
Астероид (1691) Оорт
Облако Оорта
Постоянные Оорта
Кратер Оорт на Плутоне
Глава 11-1-4
Фриц Цвикки
Фриц Цвикки (нем. Fritz Zwicky; 14 февраля 1898, Варна, Болгария — 8 февраля 1974, Пасадена, США) — американский астрофизик швейцарского происхождения.
Фриц Цвики родился в Княжестве Болгария. Его отец, швейцарец Фридолин, был видным промышленником в Варне, а также служил посланником Норвегии (1908—1933). В 1904 году отец отправил шестилетнего Фрица на историческую родину, в швейцарский Гларус.
В 1920 Фриц Цвикки окончил Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе, в 1922 защитил диссертацию по физике.
В 1925 году переехал в США.
Большую часть своей жизни Цвики работал в Калифорнийском технологическом институте в США (с 1925 г.), где сделал большой вклад в теоретическую и наблюдательную астрономию.
Цвики изучал взаимодействующие галактики, а также нейтронные звёзды (вместе с немецким астрономом Вальтером Бааде предположил, что они являются остатками взрывов сверхновых). В 1937 году предложил использовать явление гравитационной линзы для наблюдения удалённых космических объектов.
Среди наиболее значимых работ Цвикки — теория скрытой массы. Он разработал её в 30-е годы XX века. Эта теория заключается в том, что большую часть Вселенной занимает так называемая «скрытая масса» — невидимое вещество, которое проявляет себя по взаимодействию с видимым посредством сил тяготения. Масса этого вещества во много раз превышает массу всех наблюдаемых объектов. Также, согласно теории, за пределами видимых границ галактики (в том числе и Млечного Пути) простирается несветящаяся, тёмная материя, называемая тёмным гало. К скрытой массе могут относиться чёрные дыры и коричневые карлики (газовые тела с массой, промежуточной между массами звёзд и планет). Проблема скрытой массы исследовалась в прошлом веке и исследуется в настоящее время.
В честь Цвикки назван астероид 1803 Цвикки и кратер на Луне.
Глава 11-1-5
Хорес Уэлкам Бэбкок
Хорес Уэлкам Бэбкок (англ. Horace Welcom Babcock, 1912 −2003) — американский астроном, сын Х. Д. Бэбкока.
Хорес Уэлкам Бэбкок родился в Пасадине (штат Калифорния). В 1934 окончил Калифорнийский технологический институт, продолжал образование в Калифорнийском университете в Беркли. В 1938—1939 работал в Ликской обсерватории, в 1939—1941 — в обсерватории Мак-Дональд. В годы второй мировой войны занимался исследованиями по военной тематике в Массачусетском и Калифорнийском технологических институтах. С 1946 работал в обсерваториях Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар (в 1964—1978 — их директор). С 1978 — почётный сотрудник обсерватории Маунт-Вилсон.
Основные труды в области исследования галактик и магнитных полей Солнца и звезд. В 1946 впервые обнаружил магнитное поле у звёзд, измерив с помощью созданного им анализатора зеемановское расщепление линий в спектре звезды 78 Девы; вскоре нашёл, что многие пекулярные A-звезды имеют сильные магнитные поля, изменения которых коррелируют со спектральными изменениями. В 1950 открыл магнитное поле у M-гиганта, в 1955 — у переменной звезды RR Лиры. В 1958 опубликовал каталог звёзд, обладающих магнитными полями.
В 1952 совместно с X. Д. Бэбкоком изобрёл и изготовил солнечный магнитограф — прибор для детальной регистрации магнитных полей на поверхности Солнца; совместно с X. Д. Бэбкоком начал регулярное картографирование солнечных магнитных полей. Предложил гипотезу, объясняющую образование солнечных пятен и их магнитные свойства. Согласно этой гипотезе силовые линии общего магнитного поля Солнца закручиваются вследствие неравномерности вращения Солнца и тогда, когда это тороидальное поле выносится на поверхность восходящими потоками вещества, в фотосфере в местах выхода силовых линий образуются пятна. Исследовал вращение галактики Андромеды и показал в 1938, что её спиральные рукава волочатся (отстают во вращении от ядра), изучал яркость ночного неба и межзвёздное поглощение вблизи северного галактического полюса, выполнил спектральные исследования звёзд типа U Близнецов, комет, Солнца. Большое внимание уделял приборостроению. Создал много приборов, которыми оснащены обсерватории Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар. Кроме солнечного магнитографа, им сконструирован первый автоматический микрофотометр интенсивностей, экспонометры и автоматические гиды для 100- и 200-дюймовых телескопов; вместе с X. Д. Бэбкоком сконструировал машину для нарезки дифракционных решеток. Член Национальной АН США (1954) и ряда научных обществ.
Медаль Генри Дрейпера Национальной АН США (1957), медаль Эддингтона Королевского астрономического общества (1957), медаль Брюс Тихоокеанского астрономического общества (1969).
В его честь назван астероид (3167) Бэбкок.
Глава 11-1-6
Проблема недостающей массы
В 1936 году, американский астроном Синклер Смит получил похожий результат для другого скопления галактик — Девы: средняя масса одной входящей в состав галактики составляла, по его расчётам, 2⋅1011Mʘ, что на 2 порядка превышало оценку, сделанную несколько ранее Э. Хабблом. Однако, как и Цвикки, работу которого он, кстати, также цитировал, Смит объяснял данный парадокс присутствием в скоплении большого количества межгалактического вещества, либо однородно распределённого в пределах скопления, либо образовавшего гигантские слабосветящиеся облака вокруг галактик. Между тем, астрономическое сообщество в тот период было настроено относительно гипотезы о тёмной материи довольно скептически, хотя и признавало существование проблемы недостающей массы.
Вскоре возникла проблема с распределением масс и отношением масса/светимость для спиральных галактик, полученных по кривым их вращения. В 1939 году американец Хорес Бэбкок опубликовал в своей диссертации подробную кривую вращения галактики туманность Андромеды — скорость вращения звёзд вокруг её центра не уменьшалась, как предсказывала небесная механика, обратно пропорционально R, а оставалась почти постоянной.
Бэбкок заключал, что это предполагало наличие значительной массы невидимого вещества во внешних областях галактики M 31, однако могло быть объяснено и сильным поглощением частицами пыли.
Годом позже Ян Оорт, проанализировав кривую вращения галактики NGC 3115, также получил аномально высокое отношение масса/светимость для внешних областей (~ 250), и это не соответствовало теоретической картине, предполагавшей, что вся масса галактики заключена в её звездах.
Бэбкок заключал, что это предполагало наличие значительной массы невидимого вещества во внешних областях галактики M 31, однако могло быть объяснено и сильным поглощением частицами пыли. Годом позже Ян Оорт, проанализировав кривую вращения галактики NGC 3115, также получил аномально высокое отношение масса/светимость для внешних областей (~ 250), и это не соответствовало теоретической картине, предполагавшей, что вся масса галактики заключена в её звездах.
И Бэбкок, и Оорт отметили важность исследования кривых вращения внешних областей галактик, однако их результаты не привлекли в то время внимания, как, впрочем, и результаты Цвикки и Смита, что, по крайней мере отчасти, вероятно, было связано с начавшейся в 1939 году Второй мировой войной.
Глава 11-1-7
Радиоизлучение
Но с другой стороны, война способствовала бурному прогрессу наблюдательных средств радиоастрономии — они дали возможность регистрировать 21-сантиметровую линию излучения атомарного водорода, определяя его присутствие в межзвёздных облаках и скорость движения. Большую роль в этом снова сыграл Ян Оорт. Его студент Хенрик ван де Хюлст из Утрехтского университета в 1957 году первым получил таким методом кривую вращения галактики M 31, обнаружив, что источник радиоизлучения в ней простирается на расстояние до 30 кпк от центра, то есть далеко за пределы оптически видимого диска, и в этой внешней области отношение масса/светимость составляло порядка 20. Это расходилось с результатом M/L ~ 2 для центральной области диска, опубликованным незадолго до этого, и получалось, что в отличие от внутренней видимой области, где распределение масс примерно совпадало со светящимся веществом, во внешнем гало невидимой, но оказывающей гравитационное воздействие материи было гораздо больше.
Проводимые в это время радионаблюдения галактики M 31 выявили также, что она сближается с нашей, а поскольку это сближение вызвано силами взаимного притяжения, можно было количественно оценить их суммарную массу, что было выполнено в 1959 году немецко-британским астрофизиком Францем Каном и другим известным голландским учеником Яна Оорта Лодевийком Вольтером. Они получили величину ~1,5⋅1012Mʘ, в 6 раз большую, чем сумма отдельных значений, считавшихся тогда массами Млечного пути (~ 4⋅1011Mʘ) и M 31 (~ 1⋅1011Mʘ), и заключили, что эта недостающая материя существует в виде гало из горячего (~ 105K) газа, окружающих галактики.
Глава 11-1-8
Хендрик Кристофель ван де Хюлст
Хюлст Хендрик Кристофель ван де (19 ноября 1918 г., Утрехт — 2000) — нидерландский астроном, член Нидерландской АН.
Окончил Утрехтский университет. В 1946 — 1948 гг. работал в Чикагском университете и в различных обсерваториях США. С 1948 года работает в Лейденском университете (с 1952 года — профессор астрономии).
Научные работы относятся к радиоастрономии и теории рассеяния света. В 1944 году, ещё будучи студентом, предсказал возможность наблюдения в радиодиапазоне излучения межзвездных облаков спектральной линии атомарного водорода. Рассчитал длину волны этой линии (21,2 см), возникающей при спонтанном переходе между близко расположенными энергетическими подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома водорода. Это предположение было подтверждено в 1951 году наблюдениями X. Юина и Э. Перселла.
Открытие излучения с длиной волны 21,2 см позволило не только непосредственно изучать нейтральный водород в межзвездном пространстве, где он не дает излучения в видимой части спектра, но и определять скорости радиоисточников путём измерения доплеровского смещения. Вместе с Яном Оортом обработал первые наблюдения радиоизлучения водорода и получил картину распределения водорода в Галактике, свидетельствующую о том, что водород концентрируется в её спиральных ветвях.
Изучал конденсацию частиц загрязненного льда в межзвездном пространстве и природу поглощения, рассеяния и поляризации света этими частицами. Выполнил важные работы по теории рассеяния света на малых частицах.
Изучая рассеяние света во внешней короне Солнца, в 1946 году показал (одновременно с К. Алленом), что так называемая F-корона возникает в результате рассеяния фотосферного излучения на частицах межпланетной пыли.
В 60-е — 70-е годы выполнил цикл исследований по теории многократного рассеяния света. В частности, предложил эффективный численный метод расчета полей излучения (метод удвоения слоев ван де Хюлста).
Активно участвовал в планировании европейских космических исследований, был председателем Нидерландской комиссии по геофизическим и космическим исследованиям. Один из создателей Комитета по космическим исследованиям (КОСПАР) при Международном совете научных союзов, в 1958 — 1962 гг. — его президент. В 1968 — 1970 гг. — председатель Совета Европейской организации по космическим исследованиям (ESRO). Один из руководителей создания спутника для гамма-астрономии COS-B.
Награды
Медаль им. Эддингтона Лондонского королевского астрономического общества (1955 г.)
Медаль им. Дрэпера Национальной АН США (1956 г.)
Медаль им. Румфорда Лондонского королевского общества (1964 г.).
В его честь назван астероид № 2413.
Глава 11-1-9
Массы скоплений галактик
Проблема масс скоплений галактик стала к этому моменту предметом столь активных дискуссий, что её обсуждению была посвящена конференция «О нестабильности галактических систем» в рамках симпозиума «О проблемах внегалактических исследований» в Санта-Барбаре в августе 1961 года, организованного Международным астрономическим союзом. Многие объяснения расхождения масс, полученных с помощью вириальной теоремы и рассчитанных из наблюдаемых кривых вращения, предполагали существование «невидимого межгалактического вещества, составляющего 90—99 % масс скоплений».
Большой вклад в принятие гипотезы тёмной материи внесли в конце 1960-х и начале 1970-х годов американские астрономы Вера Рубин из Института Карнеги и Кент Форд — они были первыми, кто получил точные и надёжные спектрографические данные по скорости вращения звёзд галактики M 31. Кривая вращения оставалась пологой на расстоянии до 24 кпк от центра, что согласовывалось с опубликованными ранее измерениями в радиодиапазоне. Тогда же, в 1970 году, австралиец Кен Фримен в своей знаменитой работе, анализируя данные по галактикам M 33 и NGC 300, пришёл к заключению, что
«Если [данные] верны, то в этих галактиках должна присутствовать материя, которая не регистрируется ни на оптической, ни на радиочастоте. Её масса должна быть по меньшей мере такой же, как и масса зарегистрированной обычным путём галактики, а её распределение может сильно отличаться от экспоненциального, которое характерно для оптически наблюдаемой галактики».
Глава 11-1-10
Вера Рубин
Вера Рубин (англ. Vera C. Rubin, урождённая Купер (англ. Cooper); 23 июля 1928, Филадельфия, Пенсильвания — 25 декабря 2016, Принстон, Нью-Джерси) — американский астроном-наблюдатель, известная пионерскими исследованиями скорости вращения галактик.
Изучая кривые вращения галактик, она выявила расхождения между предсказанным круговым движением галактик и наблюдаемым движением. Этот факт, получивший известность как «проблема вращения галактики», стал одним из основных свидетельств в пользу существования тёмной материи. Доктор, член Национальной академии наук США (1981), Американского философского общества (1995) и Папской АН. Удостоена Национальной научной медали США (1993).
Родилась в семье еврейских эмигрантов из Российской империи: отец, инженер Филип (Пит) Купер (1897—1989), родился под именем Пейсах Кобчевский в Вильне в семье перчаточника, эмигрировал с родителями в Нью-Йорк в 1904 году; мать, Роза Апельбаум (1901—1997, родом из Бессарабии), происходила из семьи портного[8]. Отец работал инженером в Лабораториях Белла, где познакомился со своей будущей женой, которая была сотрудницей бухгалтерского отдела этой же компании.
Когда девочке было 10 лет, семья переехала в Вашингтон. С юных лет она увлекалась астрономией и в 1948 году окончила Вассарский колледж со степенью бакалавра искусств по астрономии. Затем она попыталась поступить в магистратуру Принстонского университета и изучать астрономию, однако ей было отказано: до 1975 года женщины не могли учиться по этой специальности в Принстоне. Поэтому она продолжила обучение в Корнеллском университете и в 1951 году получила степень магистра по астрономии. Вернувшись в Вашингтон, Рубин поступила в аспирантуру Джорджтаунского университета и в 1954 году получила степень доктора философии, защитив диссертацию под руководством Джорджа Гамова. О своём учителе она впоследствии отзывалась так: «Он не умел ни писать, ни считать. Он не сразу сказал бы вам, сколько будет семью восемь. Но его ум был способен понимать всю Вселенную».
Осталась преподавать в Джорджтаунском университете (с 1962 года в должности профессора астрономии), а в 1965 году перешла в Отдел земного магнетизма вашингтонского Института Карнеги и проработала здесь до конца жизни. Кроме того, она выполняла обязанности заместителя главного редактора журналов Astronomical Journal (1972-77) и Astrophysical Journal Letters (1977-82), а также входила в редакционную коллегию журнала Science (1979-87). Она продолжала активную научную работу до своей кончины в декабре 2016 года.
В течение своей научной карьеры неоднократно сталкивалась с враждебностью со стороны коллег-мужчин. Впервые она испытала такое отношение, когда сообщила своему учителю физики в средней школе, что её приняли в Вассарский колледж. Он не очень ободряюще ответил: «Это прекрасно. Всё будет хорошо до тех пор, пока ты будешь держаться подальше от науки». Позже ей было отказано в изучении курса астрономии в Принстоне, а также в проведении наблюдений на телескопе Хейла, куда женщины не допускались до середины 1960-х годов. Несмотря на это, Рубин оставалась сосредоточенной на работе и сохраняла позитивный настрой, выступая в качестве «ролевой модели» для начинающих исследовательниц.
В 1948 году она вышла замуж за Роберта Рубина, в то время студента-химика в Корнеллском университете. У них было четверо детей, причём все получили докторские степени в различных областях науки: Дэвид (род. 1950) и Аллан (род. 1960) — геологи; Джудит Янг (1952—2014) — астроном и физик; Карл (род. 1956) — математик.
Научная деятельность
В докторской диссертации, защищённой в 1954 году под руководством Георгия Антоновича Гамова, Рубин исследовала пространственное распределение галактик и обнаружила, что галактики находятся скорее в скученном состоянии, чем случайно разбросаны по вселенной. Этот важный результат лишь много позже был оценен по достоинству.
В 1960-е годы Вера Рубин вместе с Кентом Фордом приступила к наблюдениям ближайшего соседа галактики Млечный Путь — спиральной галактики М31 (Галактика Андромеды). Использовав разработанный Фордом спектрограф, они пронаблюдали оптические спектры звёзд и ионизированного газа, которые показали, что орбитальная скорость звезд на периферии галактик близка к скорости звёзд в центре галактики. Этот факт необычен, поскольку скорость кругового орбитального движения в гравитационном поле должна соответствовать массе внутри орбиты, причём наблюдаемая масса звёзд и газа в центре галактики оказывалась недостаточной, чтобы обеспечить столь высокую скорость на периферии. Вывод учёных, сделанный в 1970 году на основе полученных данных, гласит: «Полной аналогии с планетарными системами в спиральной галактике Туманность Андромеды не существует. В планетарных системах в соответствии с законами Кеплера и линейные и угловые скорости планет монотонно убывают по мере удаления от звезды, а скорости вращательного движения звезд и звездной материи в галактиках по мере удаления от центра возрастают, достигая стабильного максимума». В последующие годы Рубин продолжила эти исследования, в частности вместе с коллегами она провела систематические исследования и наблюдения 21 спиральной галактики типа Sc (по классификации Хаббла). По данным наблюдений был построен график, где ни одна из кривых вращения не оказывается классической, сужающейся формы, которая следует из законов Кеплера.
Со временем результаты, полученные Рубин и Фордом, наряду с наблюдениями в радиодиапазоне (на длине волны 21 см) распределения водорода по галактическому диску стали рассматриваться как свидетельство в пользу гипотезы Фрица Цвикки, который предположил, что обнаруженные им аномалии в движении галактик объясняются существованием своего рода скрытой массы — невидимой тёмной материи, не испускающей электромагнитное излучение и рассеянной всюду по вселенной. Природа темной материи до сих пор неизвестна, но её наличие имеет решающее значение для понимания процессов галактического и сверх-галактического масштаба. Гипотеза существования темной материи позволяет объяснить многие явления, такие как особенности вращения галактик, движение галактик внутри скоплений, наличие гравитационных линз и др. Работы Рубин также показали, что альтернативные модели в рамках модифицированной ньютоновской динамики не годятся для объяснения характера вращения галактик. Сама Рубин выразила разочарование по этому поводу, заявив: «если бы я могла выбирать, то предпочла бы, чтобы дальние гравитационные взаимодействия могли быть описаны модифицированными законами Ньютона. Мне это представляется более привлекательным, чем необходимость допущения неизвестного до сих пор вида элементарных частиц».
Рубин продолжала исследования галактик в течение многих лет; ей принадлежит открытие галактик, в которых звёзды вращаются как по часовой, так и против часовой стрелки (counterrotating galaxies), галактик с полярным кольцом и сливающихся галактик.
Награды и отличия
Национальная научная медаль США (1993)
Премия Диксона в области науки (1993)
Премия Генри Норриса Рассела (1994)
Лекция Карла Янского (1994)
Золотая медаль Королевского астрономического общества (1996)
Weizmann Women & Science Award (1996)
Медаль Джона Скотта (2001)
Премия Грубера по космологии (2002)
Медаль Кэтрин Брюс (2003)
Медаль Джеймса Крейга Уотсона (2004)
Премия памяти Рихтмайера (2008/2009)
Почётные докторские степени Университета Крейтон (1978), Гарвардского университета (1988), Йельского университета (1990), Уильямс-колледжа (1993), Мичиганского университета (1996), Джорджтаунского университета (1997), Университета штата Огайо (1998), Принстонского университета (2005).
Глава 11-1-11
Аргументы в пользу существования тёмной материи
Затем в 1970-х годах аргументы в пользу массивных гало или «корон» галактик вдали от их центра были высказаны и другими известными учёными: Яаном Эйнасто, а также Джереми Острайкером и Джимом Пиблсом, которые проанализировали накопленный объём данных, помимо кривых вращения, по движению карликовых галактик, пар и скоплений галактик. Так, статья Острайкера и Пиблса начиналась со слов
«Есть основания, всё более многочисленные и достоверные, считать, что оценки масс обычных галактик до настоящего времени могли быть занижены не менее, чем в 10 раз».
Важным моментом стала работа Альберта Босмы из Гронингенского университета: в 1978 году в своей диссертации на степень доктора философии он представил пологие кривые вращения уже для 25 галактик. В этот период были сформулированы, помимо наблюдательных, и теоретические аргументы в пользу существования тёмной материи, основанные на космологических соображениях и результатах численного моделирования. Те же Острайкер и Пиблс, опираясь на работы Цвикки, показали, что без добавления массивных сферических гало галактики были бы неустойчивыми. Настроения в астрономическом сообществе к концу десятилетия отразились в обзоре американских астрофизиков Сандры Фабер и Джона Галлахера, в котором было отмечено, «что доводы в пользу невидимой массы во Вселенной очень убедительны и становятся всё убедительнее».
Глава 11-1-12
Кен Фримен
Кен Фримен (англ. Kenneth Charles Freeman; род. 27 августа 1940, Перт, Австралия) — австралийский астроном и астрофизик, исследователь тёмной материи, основоположник галактической археологии (galactic archaeology).
Профессор обсерваторий Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг Австралийского национального университета, член Австралийской академии наук (1981) и Лондонского королевского общества (1998), иностранный член Национальной академии наук США (2017).
Образование и карьера
Обучался в Университете Западной Австралии. Будучи на 2 курсе, в 1959 году впервые побывал в обсерватории Маунт-Стромло, где во время каникул прошёл специальный учебный курс и по его итогам получил от возглавлявшего тогда обсерваторию профессора Барта Бока длинный восторженный отзыв, которым был очень впечатлён и мотивирован заниматься астрономией. В 1962 году по окончании обучения в Университете Западной Австралии получил степень бакалавра наук по математике с отличием. В 1999 году удостоен почётной докторской степени.
Степень доктора философии по специальности «Теоретическая астрофизика» получил в Кембриджском университете в 1965 году на кафедре прикладной математики и теоретической физики. С 1965 по 1969 годы был исследователем в Тринити-колледже, а в 1966 году постдоком в Техасском университете, где работал с Жераром Анри де Вокулёром и его супругой Антуанеттой. С 1967 года работал в обсерваториях Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг Австралийского национального университета, с 2000 года — именной профессор астрономии.
В 1976 году также был старшим учёным в Астрономическом институте Каптейна в Гронингенском университете, с 1982 по 1987 годы — председателем консультативного комитета по приборному оснащению Англо-австралийского телескопа. В Австралийской академии наук с 1981 года. С 1995 по 2002 годы — принимающим редактором журнала «New Astronomy». В 1998 году руководил комиссией по исследованию звёздного населения при распределении времени наблюдений на телескопе «Хаббл», а в 2001 году — инспекционным комитетом группы телескопов имени Исаака Ньютона; тогда же он был именным профессором Техасского университета. С 2002 по 2004 годы входил в Дирекцию Англо-австралийского телескопа, а с 2008 года участвует там также в проекте, посвящённом работе одного из его инструментов — спектрометра HERMES.
С 2002 года — иностранный член Британского королевского астрономического общества. С 2004 по 2009 годы — член научной группы по работе многоцелевого спектрографа обсерватории Джемини. С 2008 по 2010 годы — внештатный профессор Университета Западной Австралии. В 2010 году был членом комитета распределении времени наблюдений на телескопе «Хаббл» в группе программ Multi-Cycle Treasury.
Начиная с 1973 года входил в состав структурных подразделений Международного астрономического союза — отделов и комиссий, в том числе руководящий — в частности, был президентом и вице-президентом отдела VII «Галактические системы».
Научные достижения
Кен Фримен стал известен, показав одним из первых в 1970-е годы, что спиральные галактики содержат большую долю тёмной материи. Его знаменитая статья 1970 года в журнале «The Astrophysical Journal» цитировалась более 2000 раз. В ходе исследования спиральных галактик Фримен установил, что центральная поверхностная яркость их дисков почти постоянна и не зависит от размера галактики, — эта закономерность получила впоследствии название закона Фримена.
Кроме того, Кен Фримен стал в конце 1980-х годов основоположником направления исследований, получившего название галактической археологии (англ. galactic archaeology) — занимался восстановлением информации о формировании и эволюции галактик по данным о точных скоростях, положениях и химическом составе отдельных звёзд.
Награды и отличия
Медаль Пози Австралийской АН (1972)
Премия Дэнни Хайнемана в области астрофизики (1999)
Лекция Антуанетты де Вокулёр и медаль Техасского университета (2004)
Премия Иоганна Вемпе Потсдамского астрофизического института (2008)
Медаль и лекция Мэтью Флиндерса Австралийской АН (2013)
Лекция Генри Норриса Рассела Американского астрономического общества (2013)
Премия Грубера по космологии от Фонда Грубера (совместно с С. Ван ден Бергом, Р. Б. Талли и Я. Эйнасто) (2014). В официальном сообщении комитета премии сказано, что «установив соответствие между наблюдениями в ближней Вселенной и Вселенной в целом, они положили начало космологии ближнего поля — направлению исследований, которое помогло установить как то, что распределение галактик не случайно, а имеет определённую структуру, так и то, что тёмная материя сыграла ключевую роль в эволюции этой структуры»
Лекция Блексли, Витватерсрандский университет (2014)
Премия Питера Бома Австралийского национального университета (2014)
Медаль и лекция Дирака Университета Нового Южного Уэльса (2016)
Глава 11-1-13
Наблюдательные доказательства существования темной материи
1. Кривые вращения галактик, демонстрирующие отсутствие убывания скорости вращения на периферии звёздных дисков. Наиболее простым объяснением этого эффекта является наличие у галактик массивных невидимых гало, дающих большой вклад в их массы.
2. Динамика и морфология галактик-спутников и шаровых скоплений возле массивных галактик. Мелкие галактики-спутники движутся вокруг крупных, подчиняясь тем же законам, что и звёзды на периферии обычных галактик, таким образом, являясь пробными телами такого же рода, но на большем масштабе, что позволяет делать выводы о распределении гравитационного потенциала таких массивных галактик. Анализ данных для нашей и других галактик подтвердил, что общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу её звёзд.
3. Динамика систем галактик от двойных галактик до галактических скоплений. Анализ лучевых скоростей их членов даёт характерный разброс скоростей галактик, что позволяет оценить полные массы этих систем. Выявлено, что тёмная материя присутствует на всех уровнях галактической иерархии, причём её доля растёт с увеличением масштаба: в двойных системах она превышает вклад видимой материи в несколько раз, а в скоплениях галактик (состоящих из сотен и тысяч объектов) — в десятки или сотни раз.
4. Рентгеновское излучение горячего газа в гигантских эллиптических галактиках и их скоплениях, зарегистрированное орбитальными обсерваториями как «Эйнштейн», «ROSAT», «XMM-Newton» и «Чандра». По результатам наблюдений строится радиальное распределение плотности и температуры газа, что даёт возможность получить массовый профиль галактики или скопления. Это важное преимущество такого метода, поскольку иные дают лишь значение полной массы объекта. Согласно расчётам масса одних лишь звёзд и газа недостаточна для удержания входящего в галактики и скопления горячего газа, если не учесть тёмную материю. Такой горячий газ составляет лишь порядка 15 % всей массы скоплений, светящаяся видимая материя — ещё меньше, всего 5 %, и оставшиеся 80 % представляют собой тёмную материю.
4. Гравитационное линзирование — отклонение света удалённых объектов гравитационным полем находящихся на его пути массивных скоплений, ввиду чего изображения более удалённых галактик, проецирующихся на некое наблюдаемое скопление, оказываются искажёнными (слабое гравитационное линзирование) или даже расщепляются на несколько «копий» (сильное гравитационное линзирование). По характеру этих искажений становится возможным восстановить распределение и величину массы внутри скопления, в том числе скрытой.
Такие подсчёты были произведены для более чем десяти скоплений, и соотношение невидимой/видимой материи в целом соответствует другим методам измерения массы тёмной материи данных скоплений.
Влияние слабого гравитационного линзирования выделяется при статистическом анализе множества изображений наземных и космических телескопов. При отсутствии близкой концентрации массы ориентация далёких, фоновых галактик должна быть хаотической. Если же такая масса присутствует, это приводит к изменению видимых вытянутостей галактик и к появлению некоторой упорядоченности в их ориентациях. Поскольку искажения составляют порядка нескольких процентов амплитуды, такой метод требует высокой точности обработки, минимизации системных погрешностей, больших исследуемых областей обзора. Поэтому совпадение результатов с другими методами является важным свидетельством в пользу существования тёмной материи.
5. Распределение масс в сталкивающихся скоплениях галактик, где тёмная и барионная материя оказываются чётко разделены, что выявляется путём наблюдений в разных частотных диапазонах. Самым известным примером комплексного применения методов выявления тёмной материи является исследование скопления галактик Пуля, наблюдаемого в момент прямого столкновения двух скоплений галактик.
Если бы тёмной материи не существовало, расположение основной массы скопления (которое можно определить с помощью слабого гравитационного линзирования) соответствовало бы распределению плазмы (наблюдаемой в рентгеновском диапазоне), составляющей основную часть барионной материи. Однако наблюдается иная картина: распределение основной массы не совпадает с оптическими изображениями галактик. Это непосредственно свидетельствует о наличии тёмной материи; опубликованные работы, посвящённые исследованию скопления Пуля, содержали в заголовках слова «Прямое эмпирическое доказательство существования тёмной материи».
Глава 11-1-14
Теоретические доказательства существования темной материи
1. Моделирование устойчивости галактик.
2. Анализ неоднородности реликтового излучения. Галактики формируются и растут за счёт гравитационной неустойчивости из исходных возмущений плотности в ранней Вселенной. Через 400 000 лет после Большого взрыва эти флуктуации плотности были ещё очень малы (~10−5 относительно самой плотности). И если бы во Вселенной в этот момент было только обычное барионное вещество, то эти неоднородности просто не успели бы усилиться до такой степени, чтобы создать наблюдаемое разнообразие структур, — для этого флуктуации в эпоху первичной рекомбинации должны были бы составлять порядка 10−3. Решением этого парадокса и является предположение о наличии во Вселенной значительного количества небарионной скрытой массы. Фотоны реликтового излучения взаимодействуют лишь с барионным веществом, и поэтому температурная анизотропия фонового излучения несёт информацию только о флуктуациях плотности обычной материи. Небарионное вещество на момент рекомбинации могло быть скучено гораздо сильнее, формируя таким образом основу для роста будущих галактик и их скоплений.
3. Моделирование формирования галактик на основании общепринятой теории состава Вселенной, в частности, с определённой долей тёмной материи. Если она устанавливается в качестве начального условия, получающиеся в результате распределение и свойства галактик (например, форма) идентичны наблюдаемым.
4. Оценка критической плотности Вселенной. Полная плотность массы вещества Вселенной составляет примерно 20-30 % от значения критической плотности, тогда как барионного вещества во Вселенной всего лишь около 4,5 %. Следовательно, небарионной скрытой массы должно быть в 5 раз больше, чем обычного вещества.
Глава 11-1-15
Горячая темная материя
Горячая темная материя — это легкие частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Наиболее очевидный кандидат на эту роль — самое обычное нейтрино. Эти частицы имеют очень малые массы (раньше считалось, что масса равна нулю), рождаются в недрах звезд и областях звездообразования при различных термоядерных процессах и почти не взаимодействуют с барионным веществом. Однако при том количестве нейтрино, которое есть во Вселенной, для объяснения с их помощью темной материи необходимо, чтобы их масса была около 10 эВ. Но экспериментальные данные показывают, что масса нейтрино не превышает долей одного электронвольта, что в сотни раз меньше. Еще один вероятный кандидат на звание темной материи — так называемые стерильные нейтрино, гипотетический массивный четвертый вариант нейтрино, не принимающий участия в слабом взаимодействии. Однако такие частицы в экспериментах пока не обнаружены, и факт их существования все еще находится под вопросом.
Космологические наблюдения показывают, что горячая темная материя (если она существует) может составлять не более 10% от всей темной материи. Дело в том, что различные типы темной материи предполагают различные сценарии формирования галактик. В сценарии горячей темной материи (top-down, сверху вниз) в результате эволюции сперва формируются большие области, наполненные веществом, которые затем схлопываются в отдельные мелкие скопления и в итоге превращаются в галактики. В сценарии холодной темной материи (bottom-up, снизу вверх) сперва формируются мелкие карликовые галактики и скопления, которые затем образуют более крупные структуры. Наблюдения и компьютерное моделирование показывает, что в нашей Вселенной реализуется именно этот сценарий, что указывает на доминирование холодной темной материи.
Глава 11-1-16
Холодная тёмная материя
Холодная тёмная материя (англ. Cold dark matter, CDM) — предполагаемый вид тёмной материи, частицы которой движутся медленно по сравнению со скоростью света (понятие холодный в CDM-модели) и слабо взаимодействуют с обычным веществом и электромагнитным излучением (понятие тёмный в CDM-модели). Считается, что около 26,8% вещества во Вселенной является тёмной материей, и лишь малая доля представляет собой обычное барионное вещество, составляющее звёзды, планеты и живые организмы.
История развития теории
В 1982 году три независимые группы космологов опубликовали статьи, посвящённые теории холодной тёмной материи: группа Джеймса Пиблса, группа Джона Бонда, Алекса Салаи и Майкла Тернера, группа Джорджа Блюменталя, Х. Пагельса и Джоэла Примака. Значительную обзорную статью, посвящённую подробностям теории, в 1984 году написали Блюменталь, Сандра Фабер, Примак и Мартин Рис.
Формирование структур
В теории холодной тёмной материи рост структур происходит иерархически, при этом объекты на малых масштабах первыми коллапсируют под действием самогравитации и сливаются в рамках непрерывной иерархической структуры с образованием более крупных и массивных структур. В рамках парадигмы горячей тёмной материи, популярной в начале 1980-х годов, структуры не росли иерархически, но образовывались при фрагментации, наиболее крупные сверхскопления образовывались первыми в плоских структурах и затем разделялись на меньшие части, подобные нашей Галактике. Парадигма холодной тёмной материи, находится в хорошем согласии с наблюдениями крупномасштабных структур во Вселенной.
Глава 11-1-17
Джим Пиблс
Джим Пиблс (англ. Jim Peebles, полное имя — Филлип Джеймс Эдвин Пиблс [англ. Phillip James Edwin Peebles]; род. 25 апреля 1935, Сен-Бонифас, Виннипег, Канада) — канадско-американский физик, работающий в области теоретической космологии. Почётный научный профессор имени Альберта Эйнштейна Принстонского университета. Лауреат Нобелевской премии по физике (2019, совместно с Дидье Кело и Мишелем Майором).
Родился 25 апреля 1935 года в Сен-Бонифасе — франкоязычном городе, который в 1971 году стал пригородом Виннипега; вырос в Сен-Витале. Его отец работал клерком на зерновой бирже в Виннипеге, мать была домохозяйкой.
Окончил Университет Манитобы. С 1958 года живёт в США. Получил диплом доктора философии по астрономии в Принстонском университете. Позднее получил там же должность профессора. Ныне — почётный профессор имени Альберта Эйнштейна.
Членство в академиях
Американское физическое общество (1964)
Американская академия искусств и наук (1977)
Лондонское королевское общество (1982)[5]
Канадское королевское общество (1987)
Национальная академия наук США (Foreign Associate; 1988)[6][7]
Американское философское общество (2004)
Американское астрономическое общество
Американская ассоциация содействия развитию науки
Награды
1981 — Медаль Эддингтона, Королевское астрономическое общество
1982 — Премия Дэнни Хайнемана в области астрофизики, Американское астрономическое общество
1992 — Премия Генри Норриса Рассела, Американское астрономическое общество
1995 — Медаль Кэтрин Брюс, Тихоокеанское астрономическое общество
1997 — Медаль Оскара Клейна
1997 — Лекция Карла Янского
1998 — Золотая медаль Королевского астрономического общества
2000 — Премия Грубера в области космологии
2003 — Премия Томалла, Женевский университет
2004 — Премия Шао по астрономии
2005 — Премия Крафорда
2013 — Медаль Дирака
2019 — Нобелевская премия по физике
Названы в его честь
Астероид 18242 Peebles
Глава 11-1-18
Нобелевская премия Джима Пиблса
Джеймс Пиблс, который вместе с Яковом Зельдовичем заложил основы теоретической космологии. В настоящее время космологи довольно много знают о строении и истории Вселенной — в частности, физики могут рассчитать возраст Вселенной и проследить ее эволюцию вплоть до Большого взрыва, примерно назвать время, когда сформировались первые звезды и галактики. Однако так было далеко не всегда — долгое время космология оставалась чисто теоретической наукой, которую было очень сложно проверить с помощью прямых измерений.
Джеймс Пиблс (с соавторами) теоретически предсказал ряд эффектов, которые указали астрономам верное направление поисков и впоследствии помогли подтвердить верность физических принципов, положенных в основу космологии.
В основном предсказания Джеймса Пиблза были посвящены спектру реликтового излучения — одного из немногих объектов, которые напрямую связаны с ранней эпохой жизни Вселенной. Вообще говоря, реликтовое излучение было теоретически предсказано в 1948 году, а в 1965 году его случайно зарегистрировали Арно Пензиас и Роберт Вильсон, которые впоследствии получили за это открытие Нобелевскую премию по физике.
Однако предсказания Пиблса связаны не с фактом существования реликтового излучения, а с его свойствами. Во-первых, нобелевский лауреат показал, что реликтовое излучение играет важную роль в формировании галактик. Во-вторых, Пиблс рассчитал спектр флуктуаций реликтового излучения — в частности, оценил, как излучение будет выглядеть, если добавить к обычной материи холодную темную материю, и показал, что в такой модели относительная амплитуда колебаний температуры излучения находится на уровне 5×10−6. В-третьих, физик добавил в модель темную энергию с отрицательной плотностью и снова пересчитал спектр излучения. Кроме того, Пиблс изучил, как введенные им гипотетические сущности сказываются на эволюции Вселенной в целом и формировании галактик в частности.
Впоследствии все эти предсказания были подтверждены спутниками COBE, WMAP и Planck. Именно благодаря расчетам космологов и измерениям спутников мы знаем, что Вселенная на 5 процентов состоит из обычной материи, на 26 процентов из темной материи и на 69 процентов из темной энергии.
Глава 11-1-19
Джон Ричард Бонд
Джон Ричард Бонд (John Richard Bond, род. 1950, Торонто) — канадский астрофизик-теоретик и космолог, специализируется на изучении структуры Вселенной.
Профессор Торонтского университета, член Канадского (1996) и Лондонского (2001) королевских обществ, иностранный член НАН США (2011). В 1996—2006 годах директор Канадского института теоретической астрофизики (Canadian Institute for Theoretical Astrophysics) и с 2002 года директор его программы «Космология и гравитация». За свою научную деятельность удостоен почти всех главных канадских наград, также как и высших гражданских почестей своих страны и провинции. Самый цитируемый астроном и космолог Канады в период 1981—1997 годов.
Окончил Торонтский университет (бакалавр математики и физики, 1973). Степени магистра (1975) и доктора философии (1979) по теоретической физике получил в Калифорнийском технологическом институте. Для получения последней работал под началом У. А. Фаулера, впоследствии Нобелевского лауреата.
В 1973—1978 годах ассистент-исследователь в Калифорнийском технологическом институте, в 1975-76 гг. также работал в Лаборатории реактивного движения (США), в 1976—1977 гг. приглашённый ученый в Институте Нильса Бора. В 1978—1981 годах в качестве постдока лектор по астрономии в Калифорнийском университете в Беркли.
С 1981 года ассистент-профессор и в 1985—1987 годах ассоциированный профессор Стэнфордского университета. В 1982—1983 гг. исследователь в Кембриджском университете. В 1985 году вернулся в Торонтский университет, где стал профессором кафедры астрономии и физики, а также ассоциированным профессором и с 1987 года (по 1999) профессором Канадского института теоретической астрофизики (Canadian Institute for Theoretical Astrophysics), в 1990—1991 и 1994—1995 гг. его и. о. директора, а в 1996—2006 годах директор; в 2000 году стал Университетским профессором Торонтского университета. С 2002 года также член Perimeter Institute for Theoretical Physics. Состоит членом одного из дивизионов Международного астрономического союза.
Работал также в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, Парижском институте астрофизики, Кембриджском институте Исаака Ньютона, Пекинском институте теоретической физики Кавли, Гавайском университете, в 2003 году приглашённый профессор в Парижском университете, в 2007 году гумбольдтовский фелло в Институте астрофизики Общества Макса Планка.
Иностранный почётный член Американской академии искусств и наук и Американской ассоциации содействия развитию науки (обеих — с 2003), фелло Американского физического общества (1998). Почётный доктор Университета Святой Марии (Галифакс, 2016).
Награды и премии
премия Дэнни Хайнемана в области астрофизики (2002)
Канадская золотая медаль Герхарда Херцберга (2006)
премия Гумбольдта (2007)
премия Грубера по космологии (2008)
медаль Генри Маршалла Тори (2009)
Премия Американского физического общества (2024)
член Американского физического общества
член Лондонского королевского общества
член Королевского общества Канады
Глава 11-1-20
Джордж Р. Блюменталь
Джордж Р. Блюменталь (родился в Милуоки, штат Висконсин, 20 октября 1945 года) — американский астрофизик, астроном и академический администратор. Он был десятым канцлером Калифорнийского университета в Санта-Крузе.
Блюменталь родился в семье Лилиан и Марселя Блюменталь, владельцев небольшой компании по производству жалюзи. Он интересовался наукой с очень раннего возраста и вспоминает запуск советского спутника «Спутник-1» в 1957 году. Блюменталь имеет степень бакалавра наук по физике в Университете Висконсин-Милуоки и степень доктора философии по физике в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Блюменталь особенно известен своей работой с коллегами из Санта-Круз Сандрой М. Фабер и Джоэлем Праймаком, а также с Мартином Ризом из Кембриджского университета по темной материи. Их теория холодной темной материи, разработанная в 1980-х годах, остается стандартным объяснением образования галактик и галактических скоплений. Блюменталь также работал во многих других областях астрофизики, включая изучение гамма-всплесков, аккреционных дисков, активных галактик и микроволнового фонового излучения, оставленного Большим взрывом.
Блюменталь был председателем Академического сената Калифорнийского университета в Санта-Крус с 2001 по 2003 год и по одному году занимал должность вице-председателя и председателя Академического сената Калифорнийского университета. Он сменил Денис Дентон на посту канцлера Калифорнийского университета в Санта-Крус в 2006 году после ее самоубийства. Блюменталь ушел с поста канцлера в конце июня 2019 года, чтобы возобновить работу в области астрономии и работать неполный рабочий день в Центре исследований в области высшего образования Калифорнийского университета в Беркли. Его сменила на посту канцлера Синтия Ларив.
Он является соавтором двух учебников, «Астрономия 21-го века» и «Понимание нашей Вселенной», и написал более 75 научных публикаций.
Джордж Блюменталь является членом Совета попечителей корпорации Американского университета Армении.
Глава 11-1-21
Проблема каспов
В ходе теоретического исследования свойств тёмной материи в 1980-х годах была предложена гипотеза холодной тёмной материи (CDM).
При численном моделировании эволюции структуры галактик, проведенного на основании общепринятой космологической модели ΛCDM (Λ-член, отвечающий за темную энергию, + темная материя CDM), оказалось, что распределение плотности гало тёмной материи в центральных областях предсказывает появление сингулярности (плотность стремится к бесконечности). Это явление назвали каспом.
Однако наблюдаемые кривые вращения темной материи свидетельствуют о существовании во внутренней зоне участка практически постоянной плотности, получившей обозначение ядра.
Проблема каспов (cuspy halo problem) — одно из основных противоречий модели CDM (холодной тёмной материи), являющейся в настоящее время общепринятой, с наблюдательными данными.
Среди которых наиболее показательны прежде всего данные для галактик низкой поверхностной яркости и богатых газом карликовых галактик поздних типов, поскольку именно такие объекты содержат большую долю тёмной материи. Эти данные по большей части дают обратную картину: кривые вращения демонстрируют линейный рост, так что на расстоянии нескольких килопарсек от центра галактик скорости оказываются практически вдвое ниже предсказанных теоретически.
Неопределённость в описании распределения тёмной материи в центральных областях галактик вызывает неизбежные трудности прежде всего при решении задачи экспериментального обнаружения тёмной материи. Противоречие между предсказаниями, основанными на общепринятой космологической модели (ΛCDM), и наблюдательными данными используется критиками этой модели как серьёзный аргумент против её корректности.
Глава 11-1-22
Возможные объяснения проблемы каспов
1. Неточность результатов численного моделирования, в особенности недостаточное разрешение, — практически исключена.
2. Неточность наблюдательных данных из-за систематических инструментальных или измерительных погрешностей, таких как размытие изображения, неточное расположение щели спектрографа, ошибки, связанные с её конечной шириной при регистрации кривых вращения. Эти погрешности наиболее велики именно при анализе скоростей на минимальных расстояниях от центра галактики и могли бы приводить к получению меньших значений скоростей, следовательно, недооценке плотности тёмной материи.
3. Неверная интерпретации результатов наблюдения. Например, некруговые траектории при регистрации кривых вращения. Или гало имеют на самом деле несферическую форму, но поскольку наблюдаются под углом, кажутся сферическими и имеющими ядро с постоянной плотностью. Истинные значения скоростей вращения также могут быть занижены при наблюдении галактик с ребра. Тем не менее, было показано, что все перечисленные эффекты не вносят существенного искажения в наблюдаемую картину и неспособны были бы явиться причиной того, что каспы проявлялись бы в экспериментах как ядро постоянной плотности.
Кроме того, применялся и альтернативный метод, вообще не задействующий построение кривых вращения и основанный на непосредственном анализе спектроскопических данных, и он также показал отсутствие каспов в распределении масс.
4. Расчётные и наблюдательные данные верны, гало изначально действительно содержат каспы, но затем они размываются. Это происходит благодаря взаимодействию с барионной материей посредством так называемой обратной связи. В частности, это могли бы быть вспышки звездообразования, потоки газа, вызванные взрывами сверхновых, динамическое трение облаков газа. Но было показано, что такие процессы могут, напротив, оказывать обратное действие, увеличивая плотность гало в центральных областях.
5. Расчётные и наблюдательные данные верны, а неверна картина образования гало, предполагаемая в рамках модели CDM. Это означает необходимость изменения представлений о свойствах и природе тёмной материи.
Альтернативные объяснения
Предлагаются различные модификации темной материи:
— тёплая тёмная материя;
— самовзаимодействующая;
— мета-холодная;
— сильно аннигилирующая тёмная материя;
— ультралёгкая тёмная материя скалярного поля (обозначаемая также как сверхтекучая или нечёткая).
Некоторыми авторами высказывались предположения о необходимости модификации космологических параметров всей модели ΛCDM.
Наиболее радикальная точка зрения заключается в отрицании модели ΛCDM, в частности, существования тёмной материи как её основного постулата. Сторонники этой позиции предлагают в качестве альтернативы различные теории модифицированной гравитации.
Глава 11-1-23
Другие сложности в теории холодной тёмной материи
Существует еще несколько расхождений между предсказаниями модели холодной тёмной материи и наблюдениями галактик и их скоплений.
1. Проблема отсутствующих спутников (англ. the missing satellites problem): моделирование в рамках теории холодной тёмной материи предсказывает гораздо большее количество карликовых галактик, чем наблюдается вокруг галактик типа Млечного Пути.
По состоянию на май 2020 года, известно 59 карликовых галактик, которые могут являться спутниками Млечного Пути, не считая Магеллановых облаков, областей с повышенной плотностью звёзд в Большом Псе и Гидре, а также разрушаемых приливными силами Волопаса III и карликовой галактики в Стрельце. При этом далеко не все они действительно являются постоянными спутниками: по данным опубликованного в 2021 году исследования, скорость их движения, момент импульса и энергия указывают на то, что они взаимодействуют с Млечным Путём недостаточно долго (меньше 2 миллиардов лет), чтобы можно было говорить об устойчивом характере гравитационной связи.
Однако результаты моделирования предсказывают наличие порядка 500 карликовых галактик-спутников у Млечного Пути.
Для разрешения данной проблемы существуют две главные альтернативные модели. Одна из них заключается в том, что меньшие гало действительно существуют, но только часть из них становится видимой, поскольку оставшиеся не способны притянуть достаточное количество барионного вещества для создания наблюдаемой карликовой галактики. По данным наблюдения обсерватории Кека в 2007 году было открыто 8 ультраслабых карликовых спутника Млечного Пути, 6 из которых по оценкам на 99,9% состоят из тёмной материи (отношение масса-светимость достигает 1000). Другим решением проблемы может являться предположение о слиянии или приливном разрушении карликовых галактик крупными при сложной конфигурации взаимодействия. Приливное удаление вещества является проблемой для обнаружения карликовых галактик, поскольку в таком случае галактики обладают крайне низкой поверхностной яркостью и являются очень рассеянными, поэтому их практически невозможно наблюдать.
2. Проблема диска спутников: карликовые галактики вокруг Млечного Пути и Туманности Андромеды по наблюдательным данным обращаются в пределах тонких плоских структур, но моделирование показывает, что орбиты спутников должны быть ориентированы случайным образом.
3. Проблема морфологии галактик: если галактики растут иерархически, то для возникновения массивных галактик требуется много слияний. Крупные слияния создают классические балджи. Но 80% наблюдаемых галактик не имеют балджа, при этом существует много гигантских дисковых галактик без балджа. Доля галактик без балджа примерно постоянна в последние 8 млрд лет.
Для некоторых проблем были предложены решения, но пока остаётся непонятным, могут ли проблемы быть решены без отбрасывания парадигмы холодной тёмной материи.
Часть 11-2
Наблюдения темной материи
Содержание
Том – часть - глава
11-2-1. Физики предлагают новый взгляд на проблему поисков темной материи. Темное излучение. Справка
11-2-2. Астрономы обнаружили то, что может быть признаком аннигиляции темной материи
11-2-3. Аннигиляция темной материи Млечного пути может идти ускоренными темпами
11-2-4. Астрономы не нашли следов аннигиляции темной материи после 413 недель наблюдений
11-2-5. Распределение материи и гамма-лучей указало на аннигиляцию темной материи
11-2-6. Частицы типа аксиона не являются частицами темной материи, выяснили астрономы
11-2-7. Темная материя может быть равномернее распределена во Вселенной, чем считалось
11-2-8. Пик на графике рентгеновского фона Вселенной указывает на темную материю
11-2-9. Следы темной материи найдены в галактике Андромеды
11-2-10. Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием
11-2-11. Астрофизики считают, что темная материя должна быть «идеально черной»
11-2-12. Найдена древняя галактика, переполненная темной материей
11-2-13. Новые расчеты сняли проблему аномальной галактики Dragonfly 44
11-2-14. Разрешена загадка распределения темной материи в галактиках
11-2-15. Темная материя может заставлять Вселенную светиться ярче
Глава 11-2-1
Физики предлагают новый взгляд на проблему поисков темной материи
Август 2015
Ученые считают, что частицы темной материи при столкновениях способны аннигилировать, подобно частицам нормальной материи, формируя так называемое «темное излучение». Если это правда, то мы получаем возможность регистрировать такое излучение. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Большая часть массы во Вселенной остается непознанной. Однако, несмотря на то, что мы знаем о темной материи очень немного, общее её содержание довольно точно измерено. Другими словами, физики знают, что темная материя существует, но зарегистрировать её пока не могут.
Однако это может быть связано с узостью нашего мышления и линейностью подходов к поискам таинственной субстанции, считает Ян Шумейкер, обладатель ученой степени доктора философии и бывший научный сотрудник Центра космологии и феноменологии физики частиц и факультета Физики, химии и фармации Университета Южной Дании, в настоящее время проживающий в США. В новом исследовании ученый и двое его американских коллег исследуют проблему обнаружения темной материи и предлагают новый подход к её поискам, основанный на обнаружении не самих частиц темной материи, а продуктов их взаимодействия – темного излучения. Исследователи показывают в своей статье, что регистрацию темного излучения способен производить существующий эксперимент Large Underground Xenon (LUX) и отмечают, что полученные при помощи этой установки в будущем научные данные помогут подтвердить или исключить их гипотезу происхождения темной материи.
Комментарий
Темное излучение. Справка
Темное излучение (также темный электромагнетизм) — это постулируемый тип излучения, который опосредует взаимодействия темной материи. По аналогии с тем, как фотоны опосредуют электромагнитные взаимодействия между частицами в Стандартной модели (называемой барионной материей в космологии), темное излучение предлагается опосредовать взаимодействия между частицами темной материи.
Подобно частицам темной материи, гипотетическое темное излучение не взаимодействует с частицами Стандартной модели. Не было никаких заметных доказательств существования такого излучения; барионная материя содержит несколько типов взаимодействующих частиц, но неизвестно, есть ли они в темной материи.
Данные о космическом микроволновом фоне могут указывать на то, что число эффективных степеней свободы нейтрино превышает 3,046, что немного больше стандартного случая для трех типов нейтрино. Эта дополнительная степень свободы может возникнуть из-за наличия нетривиального количества темного излучения во Вселенной. Одним из возможных кандидатов на темное излучение является стерильное нейтрино.
Astronews, 21 августа2015
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=7675
Журнал PhysicalReviewLetters. 2015
Ян Шумейкер, бывший научный сотрудник Центра космологии и феноменологии физики частиц и факультета Физики, химии и фармации Университета Южной Дании
Глава 11-2-2
Астрономы обнаружили то, что может быть признаком аннигиляции темной материи
Март 2016
Некоторые астрономы считают, что темная материя может иметь ещё одно общее с нормальной материей свойство, кроме способности к гравитационному взаимодействию: она может существовать в двух формах – материи и антиматерии – которые аннигилируют и испускают излучение высокой энергии при взаимодействии. В новом исследовании астроном из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра Дуг Финкбейнер и команда его коллег сообщают об обнаружении признаков аннигиляции темной материи. Статья вышла в журнале Physics of the Dark Universe.
Если аннигиляция темной материи действительно имеет место в природе, это значительно сужает круг возможных источников происхождения этой таинственной субстанции.
Как указывают авторы, которые изучали в своей работе пространственное распределение гамма-излучения близ центра Млечного пути, характер этого излучения говорит о том, что оно вызывается именно аннигиляцией частиц темной материи, наполняющих центр нашей галактики, а не связано с крупными популяциями стремительно вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами, которые также излучают в этой области электромагнитного спектра. Подтверждением этого, по словам авторов статьи, является то, что гамма-излучение, идущее от пульсаров, преимущественно расположенных в плоскости диска Млечного пути, должно быть в большей степени локализовано именно в этой плоскости, в то время как наблюдения такой картины не обнаруживают.
Astronews, 28 марта2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8360
ЖурналPhysics of the Dark Universe.
Дуг Финкбейнер
Гарвард-Смитсоновский астрофизический центр и др.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.101302?ft=1
Глава 11-2-3
Аннигиляция темной материи Млечного пути может идти ускоренными темпами
Июнь 2017
Исследователи из Института фундаментальных исследований Тата, Индия, предложили теорию, согласно которой скорость аннигиляции темной материи в пределах Млечного пути может превосходить скорость ее аннигиляции в других, больших и меньших по размерам галактиках, а также в галактиках ранней Вселенной.
Анирбан Дас (Anirban Das) вместе со своим научным руководителем доктором Басудебом Дасгуптой (Basudeb Dasgupta) рассматривали эту гипотезу, поскольку пока нет свидетельств аннигиляции темной материи – за исключением некоторых сигналов, идущих из Млечного пути, которые были замечены при помощи детекторов PAMELA и AMS02, а также космической гамма-обсерватории «Ферми» (Fermi). Если дальнейшие наблюдения подтвердят, что эти сигналы действительно относятся к аннигилирующей темной материи, при этом аналогичные сигналы в других галактиках Вселенной так и не будут обнаружены, то версия Даса и Дасгупты может стать одной из немногих гипотез, объясняющих «уникальность» Млечного пути.
В новом исследовании показано, что «необычность» Млечного пути в отношении скорости аннигиляции темной материи может объясняться симметрией аннигилирующих частиц темной материи. Более того, в исследовании предсказывается, что темная материя состоит более чем из одного вида частиц, и взаимодействие между этими частицами осуществляется при помощи частиц небольшой массы. Гипотеза должна быть проверена дальнейшими наблюдениями.
astronews.ru, 26 июня 2017
Глава 11-2-4
Астрономы не нашли следов аннигиляции темной материи после 413 недель наблюдений
Март 2018
Американские ученые исследовали гамма-излучение 495 галактик из каталогов T15 и T17, которое телескоп Ферми регистрировал в течение восьми лет. Ученые снова не нашли следов аннигиляции частиц темной материи, но установили ограничение на сечение процесса и проверили результаты предыдущей работы, в которой рассматривались только карликовые сфероидальные галактики. Статья опубликована в Physical Review D.
Существование темной материи подтверждается множеством данных по гравитационному линзированию и измерению кривых вращения галактик, однако «живьем» ее никто никогда не видел. Ученые пытаются поймать ее с помощью огромных детекторов, следят за «невидимыми» распадами частиц, ищут на коллайдерах следы гипотетических темных фотонов — однако до сих пор следов темной материи зарегистрировано не было. Неудачи заставляют экспериментаторов разрабатывать альтернативные способы поиска темной материи.
В частности, некоторые теории предполагают, что частицы темной материи должны аннигилировать и рождать обычные фотоны, которые можно поймать с помощью детекторов. Сами по себе такие процессы могут происходить очень редко, но в галактических гало частиц темной материи должно быть много, и аннигиляция станет заметной. В результате галактики будут излучать в гамма-диапазоне, и этот сигнал можно отделить от излучения, возникающего в других астрофизических процессах, и зарегистрировать.
Группа ученых под руководством Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) использовала этот гипотетический процесс для поиска темной материи. Исследователи сравнили рассчитанный поток с экспериментальными данными, собранными телескопом Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) за период с августа 2008 по июль 2016 года. В течение всего этого периода телескоп регистрировал гамма-излучение в диапазоне энергий от 502 мегаэлектронвольт до 251 гигаэлектронвольта.
В результате исследователи получили ограничение на сечение аннигиляции гипотетических частиц с массами от десяти до десяти тысяч гигаэлектронвольт. Поскольку остаточный поток гамма-излучения оказался небольшим, ограничение получилось очень сильным.
Ранее ученые уже исследовали с помощью телескопа Ферми аннигиляцию темной материи, образующей гало, которые окружают карликовые сфероидальные галактики. Такие галактики содержат большое количество темной материи (много больше, чем масса входящих в их состав звезд), а потому рассчитанные с их помощью ограничения на сечение аннигиляции частиц темной материи немного точнее, чем результаты новой работы. С другой стороны, данные измерений карликовых галактик подвержены большим систематическим ошибкам, а новая работа проверяет этот результат независимым способом.
В конце ноября прошлого года китайская космическая обсерватория DAMPE с хорошим разрешением и низким уровнем шума измерила энергетический спектр космических электронов и позитронов. Это позволило подтвердить «провал» на энергиях больше одного тераэлектронвольта и нащупать резкий «всплеск» на энергии около 1,4 тераэлектронвольт, который может указывать на аннигиляцию или столкновение частиц темной материи. Или оказаться статистической флуктуацией — пока что DAMPE еще не успел собрать достаточно данных, чтобы исключить такую возможность.
nplus1, 13 марта 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/03/13/no-DM-annihilation
Physical Review D, 2018
Бенджамин Сафди (Benjamin Safdi)
Телескоп Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope)
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.063005
Глава 11-2-5
Распределение материи и гамма-лучей указало на аннигиляцию темной материи
Март 2020
Астрономы сравнили распределение материи во Вселенной с фоновым гамма-излучением и обнаружили корреляции между ними. Основную долю сигнала можно объяснить влиянием неярких блазаров, но часть должна быть связана либо с новой популяцией объектов с необычными свойствами, либо с принципиально иным классом источников. Не исключено, что он представляет собой аннигиляцию частиц темной материи. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Ряд астрономических наблюдений показывает, что помимо известного вещества во Вселенной присутствует и компонент другой природы, получивший название темной материи. Согласно наиболее популярным гипотезам, темная материя состоит из частиц с массами порядка протона или больше.
Некоторые теории устройства темной материи предполагают, что ее частицы могут аннигилировать при реакции друг с другом. В таком случае они должны превращаться в пары других частиц, в том числе фотонов высоких энергий. Поиски подобных сигналов продолжаются уже несколько лет, но убедительных данных пока получено не было.
Одно из наблюдательных указаний на существование темной материи заключается в существенно большей гравитационной массе галактик и их скоплений, чем можно предположить на основе содержащихся в них звезд. Такой вывод можно сделать, изучая искривление лучей света от гравитационного линзирования.
Группа ученых при участии Симона Аммаццалорсо (Simone Ammazzalorso) из Туринского университета провела сравнение карты слабого линзирования, полученной в рамках обзора DES, и распределения фоновых гамма-источников по данным космического телескопа «Ферми». Оказалось, что положение гравитационных линз, за которое в первую очередь должна отвечать темная материя, коррелирует с координатами высокоэнергетических квантов света. Авторы отмечают, что другие авторы ранее пытались найти подобный сигнал с использованием других данных, но ни одной группе исследователей этого не удалось.
Анализ показал, что большая часть сигнала приходится на небольшие угловые масштабы (менее 0,3 градусов) и высокие энергии. Такое влияние проще всего объяснить присутствием фоновой популяции точечных источников с жестким спектром (крутой зависимостью потока от частоты) с показателем порядка 1,8. На роль таких объектов подходят блазары — активные ядра галактик.
Также астрономы обнаружили менее статистически значимую корреляцию на бóльших угловых масштабах.. Оказалось, что со статистической значимостью около трех стандартных отклонений в сигнале присутствует вклад аннигиляции частиц темной материи с массами 65 ± 25 гигаэлектронвольт.
Итоговая значимость сигнала темной материи не очень велика. Также не исключено, что популяции тусклых высокоэнергетических источников отличаются по параметрам от более ярких известных. В таком случае сделанные оценки необходимо корректировать.
nplus1.ru, 12 марта 2020, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2020/03/12/gamma-ray-and-lensing
Журнал Physical Review Letters. 2020
Симон Аммаццалорсо (Simone Ammazzalorso) из Туринского университета
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.101102
Глава 11-2-6
Частицы типа аксиона не являются частицами темной материи, выяснили астрономы
Апрель 2016
Проанализировав большой архив наблюдательных данных, собранных при помощи космического телескопа НАСА «Ферми» исследователи выяснили, что одни из предполагаемых кандидатов на роль частиц темной материи, известные как частицы типа аксиона (axion-like particles, ALPs), на самом деле или не играют большой роли в формировании основных масс темной материи, или попросту не существуют. Исследование вышло в журнале Physical Review Letters.
ALP-частицы, предположительно, формируются в результате определенных квантовых взаимодействий и имеют необычное свойство, которое может быть измерено при прохождении этими частицами сквозь мощные магнитные поля: при определенных условиях «невидимые» во всех других случаях ALP-частицы могут трансформироваться в фотоны.
Для проверки этой идеи физики во главе с Мануэлем Мейером, сотрудником кафедры физики Стокгольмского университета, Швеция, проанализировали в новом исследовании гамма-излучение, идущее со стороны яркой галактики под названием NGC 1275, расположенной в скоплении галактик Персей, на расстоянии около 240 миллионов световых лет от нас. Пространство между этой галактикой и Землей пронизывают мощные магнитные поля, поэтому в случае существования флуктуаций между состояниями ALP-частицы и фотона, такие фотоны света должны быть обнаружены при наблюдениях излучения галактики NGC 1275.
Однако, проведя анализ архива данных наблюдений, выполненных при помощи космического телескопа НАСА «Ферми», исследователи не обнаружили таких осцилляций.
В дальнейшем исследователи рассчитывают собрать больше данных при помощи космической обсерватории «Ферми», однако в целом похоже, что частицы типа аксиона не взаимодействуют по этой предполагаемой схеме, либо не существуют вовсе.
Astronews, 25 апреля 2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8460
Журнал Physical Review Letters. 2016
Мануэль Мейер, Стокгольмский университет, Швеция
Глава 11-2-7
Темная материя может быть равномернее распределена во Вселенной, чем считалось
Февраль 2016
Анализ данных нового гигантского обзора галактик, проведенного при помощи телескопа VLT Survey Telescope Европейской южной обсерватории, расположенного в Чили, указывает на то, что темная материя может быть менее плотной и распределенной в пространстве более равномерно, чем считалось ранее. Исследование вышло в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Международная команда исследователей использовала данные, полученные при помощи обзора неба Kilo Degree Survey (KiDS), для изучения гравитационного влияния крупномасштабных структур Вселенной на свет, идущий к Земле от 15 миллионов далеких галактик. Эти результаты противоречат ранним результатам, полученным при помощи миссии «Планк» (Planck).
Группа астрономов во главе с Хендриком Хилдебранндтом (Hendrik Hildebrandt) из Боннского университета, Германия, в новом исследовании произвела на основе анализа снимков, полученных в результате проведения обзора неба KiDS, наиболее точные на сегодняшний день эффекта, известного как космический сдвиг (cosmic shear). Этот эффект представляет собой слабое гравитационное линзирование, при котором свет, излучаемый далекими галактиками, слегка искажается из-за гравитационного влияния больших масс материи, лежащих на его пути к Земле.
Согласно результатам измерения этого эффекта команда Хилдебрандта получила, что равномерность распределения материи во Вселенной оказалась значительно более высокой, чем по данным, полученным ранее при помощи спутника «Планк».
astronews.ru, 8 февраля 2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=9218
Глава 11-2-8
Пик на графике рентгеновского фона Вселенной указывает на темную материю
Февраль 2017
До настоящего времени так и не было получено прямого доказательства существования темной материи. В новом исследовании ученые проанализировали данные, полученные рентгеновской обсерваторией НАСА «Чандра». На графиках, построенных на основе рентгеновских наблюдений, ученые обнаружили неожиданный пик, соответствующий энергии примерно 3500 Вольт. Команда указывает в своей работе, что если наличие этого пика связано с темной материей, то излучение должно идти от такой материи, находящейся в области пространства вокруг Млечного пути. Исследователи также отмечают, что высота этого пика хорошо согласуется с гипотезами, объясняющими распределение темной материи по объему Млечного пути, в соответствии с которыми аналогичный источник рентгеновского сигнала, расположенный в центре Млечного пути, должен демонстрировать более высокую интенсивность сигнала, соответствующую больше плотности темной материи в областях пространства с повышенной концентрацией звезд.
Этот таинственный рентгеновский сигнал наблюдался не одной, а несколькими научными группами, его происхождение не обязательно может быть связано с темной материей. Однако согласно некоторым гипотезам такие пики могут соответствовать распаду темной материи, косвенно подтверждая в этом случае её существование.
astronews.ru, 5 февраля 2017
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=9380
Глава 11-2-9
Следы темной материи найдены в галактике Андромеды
Февраль 2017
Группа исследователей из НАСА обнаружила необъяснимые избытки гамма-излучения в галактике Андромеды, также известной как M31. Это могут быть следы темной материи, говорится на сайте агентства.
«Мы полагаем, что темная материя накапливается во внутренних областях Млечного Пути и других галактик, поэтому обнаружение настолько четкого следа нас очень сильно заинтересовало, — рассказал астрофизик Пьерик Мартен (Pierrick Martin). М31 станет ключом к разгадке того, что происходит внутри Андромеды и Млечного Пути».
Открытие было сделано с помощью гамма-телескопа Ферми, который в 2009 году запечатлел первые следы темной материи в виде излишка гамма-излучения в центре Млечного Пути. Из-за того, что яркость этого излучения превышала теоретически предсказанные значения, ученые предположили, что его источником были распады сталкивающихся вимпов (гипотетических слабо взаимодействующих массивных частиц).
https://lenta.ru/news/2017/02/22/dark_matter/
Глава 11-2-10
Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием
Ноябрь 2017
Частицы темной материи не удается обнаружить напрямую из-за того, что они отталкиваются от частиц обычной материи, считает физик из Брукхейвенской национальной лаборатории Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl). По его расчетам, опубликованным в Physical Review D, если радиус действия этой отталкивающей силы сопоставим с радиусом Земли или превышает его, частиц темной материи около планеты просто нет, и физикам нечего детектировать.
Обнаружить гравитационное действие темной материи несложно, например, наблюдая за движением галактик или искажением света, проходящего мимо галактических скоплений. Однако в прямых экспериментах, предполагающих, что электроны или атомные ядра должны рассеиваться на частицах темной материи (пусть и очень слабо), она до сих пор себя не проявила.
В данной работе физик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) предложил объяснить отсутствие прямых наблюдений темной материи тем, что рядом с Землей ее попросту нет. Для этого ученый предположил, что взаимодействие между частицами темной и обычной материи осуществляется посредством бозона с очень маленькой массой (порядка 10−14 электронвольт), так что между этими частицами возникает сила отталкивания, которая имеет радиус действия, сравнимый с радиусом Земли. Такой подход к описанию взаимодействий используется в теоретической физике с тех пор как Юкава объяснил взаимодействие между адронами с помощью пиона (только его масса составляет примерно 108 электронвольт, и радиусы соответствующих сил получаются в 1022 раз меньше).
В результате вокруг Земли возникает эффективный потенциал, в котором частицам темной материи энергетически невыгодно находиться близко от планеты. Казалось бы, они все еще могут преодолеть этот потенциал, если имеют достаточную кинетическую энергию. Однако максимально возможная кинетическая энергия частиц оказывается равной примерно 200 мегаэлектронвольт. Это намного меньше высоты возникающего потенциального барьера (~10 гигаэлектронвольт), поэтому преодолеть его частицы не могут.
Впрочем, нужно иметь в виду, что статья физика является чисто теоретической и предполагает только один из способов объяснить неудачи экспериментов по прямому детектированию. Более того, в этой статье теоретик не приводит никаких аргументов в пользу существования такой эффективной отталкивающей силы (кроме невероятно малых значений для сечения взаимодействия, полученных в экспериментах) и не вычисляет массу предложенного бозона каким-либо независимым способом. Тем не менее, экспериментально проверить эту гипотезу в принципе можно. Например, учет этого взаимодействия должен привести к поправкам при гравитационном линзировании на скоплениях галактик. Кроме того, если масса бозона достаточно мала и радиус действия сил оказывается сравним с радиусом орбиты Земли, в течение года число прямых регистраций рассеяния частиц темной материи на нуклонах будет изменяться, и эту зависимость можно померить экспериментально.
nplus1.ru, 22 ноября 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/11/22/dark-repulsion
Журнал Physical Review D
Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl), Брукхейвенская национальная лаборатория
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.96.095019
Глава 11-2-11
Астрофизики считают, что темная материя должна быть «идеально черной»
Апрель 2018
Специалисты считают, что частицы так называемой темной материи все же взаимодействуют друг с другом при столкновении галактик. А это доказывает гипотезу, что темная материя практически полностью черная, говорится в статье, которая на этой неделе была опубликована в журнале MNRAS.
В настоящее время ученое сообщество занимается поиском так называемой темной материи, но пока конкретные результаты исследовательской работы не получены. Ричард Мэсси, представляющий Даремский университет в Великобритании, заявил, что почти все новые данные, которые ученые получают о темной материи, противоречат друг другу.
Это приводит к тому, что фактически обнуляется вся предыдущая исследовательская работа, которая проводилась по темной материи до получения новых данных. Если темная материя в обозримом будущем так и не вступит в контакт с видимой Вселенной, то ученые не смогут получить нужные им данные для построения модели существования такой структуры.
В течение длительного времени ученое сообщество было уверено, что наша Вселенная состоит только из той материи, которую мы можем наблюдать. Такая материя структурно состоит из звезд, туманностей, галактик, скоплений пыли и черных дыр. Однако в ходе наблюдения за скоростью перемещения звезд в ближайших к нам галактиках было установлено, что звезды движутся с такой гигантской скоростью, которая более чем в десять раз превышает расчеты, проводимые на базе масс всех космических светил.
Именно тогда была высказана гипотеза о существовании так называемой темной материи – загадочной структуры, на долю которой приходится до 75% массы всей материи в нашей Вселенной. То есть получается, что в среднем, на территории каждой галактики примерно в десять раз больше темной материи, которая удерживает звезды в пределах этой зоны и не позволяет им переместиться в другую галактику.
Все ученые уже признали факт существования темной материи, однако не могут выработать единую концепцию относительно механизма гравитационного воздействия материи на звездные скопления. Команда специалистов во главе с Ричардом Мэсси изучила данные с космического телескопа «Хаббл» о галактическом скоплении Aball 3827, находящемся на расстоянии около 1,4 миллиарда световых лет от Земли в созвездии Индейца. Изучив снимки с «Хаббла», специалисты установили, что частицы темной материи все же взаимодействуют друг с другом.
Эти данные были перепроверены с помощью телескопа ALMA в чилийской пустыне Атакама. Было установлено, что материя не только взаимодействует со звездами, но и ее частицы взаимодействуют друг с другом. А это говорит только об одном, что получены новые результаты, которые могут разрушить всю исследовательскую работу за прошлые годы по изучению темной материи. Мэсси считает, что темную материю обнаружить практически невозможно, так как фактически она является идеально черной.
Astronews, 11 апреля 2018
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=10820
Журнал MNRAS, 2018
Ричард Мэсси, Даремский университет в Великобритании
https://arxiv.org/abs/1708.04245
Глава 11-2-12
Найдена древняя галактика, переполненная темной материей
Декабрь 2018
Согласно современным теоретическим моделям, в старых галактиках должно быть меньше темной материи, чем в современных. Однако обнаружение древней галактики в девяти миллиардах световых лет от Земли может привести к переосмыслению этих моделей. В новом исследовании, опубликованном в журнале Astrophysical Journal, астрономы из Техасского университета в Остине описывают необычную галактику, наполненную темной материей.
Десятилетия наблюдений за галактиками показали, что почти у всех галактик есть огромные количества «темной материи»: более того, во Вселенной ее в пять раз больше, чем обычной, видимой материи.
Большинство астрофизиков считают, что на ранних стадиях развития галактики темной материи в ней было немного. Считается, что галактики только со временем начинают накапливать темную материю путем неизвестного — пока что — процесса.
Новые наблюдения, проведенные в обсерватории Макдональд в Техасе, показали нечто противоположное. В своем исследовании астрономы описывают галактику DSFG850.95, находящуюся в девяти миллиардах световых лет от Земли. В отличие от других древних галактик, DSFG850.95 буквально переполнена темной материей.
"Это противоречит главенствующей теории, согласно которой старые галактики фундаментально отличаются от современной Вселенной. Похоже, в ней темная материя ведет себя обычно, как и во Вселенной наших дней", — заявляют ученые.
Naked Science, 13 декабря 2018
https://naked-science.ru/article/astronomy/naydena-drevnyaya-galaktika
Журнале Astrophysical Journal 2018
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaedbf/meta
Глава 11-2-13
Новые расчеты сняли проблему аномальной галактики Dragonfly 44
Октябрь 2020
Галактика Dragonfly 44, которая, как считалось, почти целиком состоит из темной материи, оказалась самой обычной: новые расчеты показали, что масса ее не так велика, а темного вещества в ней не так и много. Статья опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
По современным представлениям, формирование и эволюция галактик определяются незримо присутствующей темной материей, масса которой может в 10-300 раз превышать общую массу звезд, газа, пыли и прочего обычного вещества в галактике. Однако известны весьма интригующие исключения — как знаменитая галактика Dragonfly 44, состоящая из темного вещества более чем на 99,9 процента.
Международная команда астрономов во главе с Теймуром Сайфоллахи (Teymoor Saifollahi) из Гронингенского университета в Нидерландах решила внимательнее рассмотреть эту аномальную галактику. Увы, загадка оказалась иллюзией: в статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ученые приходят к выводу о том, что оценки темного вещества в Dragonfly 44 были неверны и ничего выдающегося она, по-видимому, не представляет.
Dragonfly 44 относится к крупному скоплению Волос Вероники, которое находится в 330 миллионах световых лет от нас и включает более тысячи галактик. По имевшимся оценкам, масса темной материи в Dragonfly 44 сопоставима с ее количеством в нашем Млечном Пути, хотя звезд в ней на порядки меньше — всего около 100 миллионов. Из этого и сделали вывод, что темная материя в ней преобладает над обычной в аномально большом соотношении — 10000:1.
Однако Сайфоллахи и его соавторы провели новый анализ Dragonfly 44 и ее окружения, показав, что галактику окружают около 20 шаровых скоплений, а не 80, как считалось прежде. Это резко меняет оценки ее общей массы, которая оказывается далеко не так велика — и, соответственно, не так велик вклад темной материи. Судя по новым расчетам, ее количество лишь в 300 раз превышает массу обычного вещества 100 миллионов звезд Dragonfly 44. Таким образом, галактика не выпадает из общего ряда.
«Все эти годы Dragonfly 44 считалась аномалией, которая не укладывается в существующие модели формирования галактик, — говорят авторы работы. — Теперь мы знаем, что предыдущие оценки были неверны и Dragonfly 44 — не такая уж выдающаяся. Пора двигаться дальше».
naked-science.ru, 14 октября 2020, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/novye-raschety-snyali-problemu-anomalnoj-galaktiki-dragonfly-44
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020
Теймур Сайфоллахи (Teymoor Saifollahi) из Гронингенского университета в Нидерландах
https://academic.oup.com/mnras/advance-article-abstract/doi/10.1093/mnras/staa3016/5919454?redirectedFrom=fulltext
Глава 11-2-14
Разрешена загадка распределения темной материи в галактиках
Октябрь 2020
Сила гравитации во Вселенной – под действием которой она эволюционировала из почти однородного состояния, наблюдаемого в ходе Большого взрыва, до современного состояния, когда материя сконцентрирована в форме галактик, звезд и планет – связана с таинственной субстанцией, называемой «темной материей». Но мы почти ничего не знаем о его природе, поведении и составе, и это является одной из основных проблем современной физики. В новой статье исследователи во главе с Хорхе Санчесом Алмейдой (Jorge SánchezAlmeida) из Канарского института астрофизики, расположенного на острове Пальма Канарского архипелага, показывают, что темная материя в составе галактик следует принципу распределения, основанному на стремлении к максимальной энтропии, и это проливает свет на природу темной материи. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Темная материя из-за слабого взаимодействия между частицами ее присутствие выявляется только на астрономических масштабах. Согласно Санчесу Алмейде, распределение темной материи следует принципу максимальной энтропии (что эквивалентно «максимальному беспорядку», или «термодинамическому равновесию»), то есть темная материя пребывает в своем наиболее вероятном состоянии. Для достижения этого «максимального беспорядка», в котором состояние темной материи характеризуется уравнением, связывающим температуру, давление и плотность и напоминающим уравнение состояния газа, частицы темной материи должны эффективно сталкиваться друг с другом. Однако механизм достижения темной материей этого равновесного состояния до сих пор остается загадкой. Согласно авторам статьи, если бы частицы темной материи эффективно сталкивались друг с другом, это бы рассказало очень многое о природе темной материи и позволило бы частично разрешить проблему ее происхождения.
Максимум энтропии темной материи был обнаружен в карликовых галактиках, имеющих повышенное отношение количества темной материи к общему количеству материи, по сравнению с более массивными галактиками, поэтому в таких галактиках легче рассмотреть влияние изучаемого принципа, отмечает Санчес Алмейда. Однако ученые ожидают, что такое поведение является общим для темной материи в составе любой галактики.
Как показывают авторы работы, распределение темной материи в состоянии термодинамического равновесия характеризуется пониженной плотностью центральных областей, что имеет большое значение для практической астрономии при интерпретации результатов гравитационного линзирования или создании экспериментов по обнаружению темной материи в результате ее самоаннигиляции.
astronews.ru, 29 октября 2020
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20201029192030
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2020
Хорхе Санчесом Алмейдой (Jorge Sánchez Almeida) из Канарского института астрофизики
Глава 11-2-15
Темная материя может заставлять Вселенную светиться ярче
Декабрь 2022
Едва заметное излучение межзвездного пространства оказалось сильнее, чем предсказывают расчеты. Возможно, отчасти этот избыток создается аксионами — неуловимыми частицами темной материи. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Межзвездное пространство темно, но не черно. Кроме видимых источников нельзя забывать о реликтовом излучении, светится пыль, создавая инфракрасный фон Вселенной, регистрируется и космический фон в оптическом диапазоне. Предполагается, что его создают источники, недоступные для прямого наблюдения: например, звезды и галактики, расположенные далеко.
Несколько лет назад космический зонд New Horizons пересек орбиту Плутона и смог рассмотреть оптический фон в деталях, которые недоступны никаким другим инструментам. Оказалось, что его излучение вдвое ярче, чем можно предсказать с помощью существующих теорий и моделей. Теперь астрофизики из Университета Джонса Хопкинса выдвинули гипотезу о том, что избыток излучения может быть связан с темной материей. Существует множество гипотез, предсказывающих свойства частиц темной материи. Среди кандидатов —аксионы, которые могут быть крайне легкими и многочисленными. Теоретически их масса должна быть на много порядков меньше, чем у крупных бозонов, а при распаде они должны излучать пару фотонов. Поиск аксионов или создаваемого ими излучения продолжается давно, но до сих пор не дал никаких результатов.
Авторы новой статьи предполагают, что обнаружить их можно в межзвездном оптическом фоне. По расчетам ученых, избыточное излучение может возникать из-за распада аксионов в экстремально мощном магнитном поле, при массе частиц в пределах 8-20 электронвольт. Это намного больше, чем предсказывают некоторые теории, — сотые и тысячные доли электронвольт. Для сравнения, масса электрона составляет около 0,5 мегаэлектронвольта.
naked-science , 05 декабря 2022, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/temnaya-materiya-mozhet-svetitsya-yarche
Physical Review Letters, декабрь 2022, Университет Джонса Хопкинса
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.231301
Часть 11-3
Новая эпоха в поисках темной материи
Содержание
(том – часть – глава)
11-3-1. Темная материя выдаст себя разогревом нейтронных звезд
11-3-2. Распады нейтрона указали на существование темной материи
11-3-3. Эксперименты не нашли распады нейтрона на фотон и темную материю
11-3-4. Проверка модели Форнала и Гринштейна
11-3-5. Темная материя замедлила гравитационные волны. Но заметить это замедление не получится
11-3-6. Новая эпоха в поисках темной материи
11-3-7. Астрофизики зарегистрировали движение темной материи
11-3-8. Темная материя пока никого не убила – и это дает нам информацию о ее природе
11-3-9. «Хаббл» нашел самые маленькие сгустки темной материи
11-3-10. Новая элементарная частица может оказаться «атомом» темной материи
11-3-11. Темные аксионы ограничили с помощью нейтронных звезд
11-3-12. Пульсары могут подсветить темную материю
Глава 11-3-1
Темная материя выдаст себя разогревом нейтронных звезд
Февраль 2018
Американские физики исследовали падение темной материи на нейтронную звезду и показали, что параметры взаимодействия частиц обычной и темной материи связаны с температурой звезды. Более того, для некоторых моделей этот способ позволяет получить оценки, которые превосходят существующие оценки, найденные в экспериментах по прямому поиску темной материи. Статья опубликована в Physical Review D.
Темная материя необходима для объяснения кривых вращения и гравитационного линзирования на галактиках с «недостающей» массой, и большинство физиков уверены в ее существовании. К сожалению, в экспериментах по прямому детектированию частицы темной материи до сих пор не были найдены. Это заставляет физиков задумываться о природе темной материи, а также искать альтернативные способы ее детектирования.
Например, в новой статье физики из Калифорнийского и Нотр-Дамского университетов предложили искать темную материю с помощью нейтронных звезд. Из-за огромной силы притяжения такие звезды должны очень эффективно захватывать частицы — поток темной материи, падающей на типичную нейтронную звезду, оценивается приблизительно в 25 грамм в секунду. Из-за этого нейтронные звезды должны заметно разогреваться, и наблюдая за ними в инфракрасном диапазоне, можно определить сечение взаимодействия частиц обычной и темной материи.
Стоит отметить, что на данный момент у астрономов нет инструментов, с помощью которых можно было бы измерить температуру нейтронных звезд и увидеть предсказанное авторами статьи разогревание. Тем не менее, инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» сможет выполнить такие измерения. В этом случае наблюдения уже за одной-единственной нейтронной звездой будет достаточно, чтобы уточнить величину сечения взаимодействия частиц обычной и темной материи.
В ноябре прошлого года физик-теоретик из Брукхейвенской национальной лаборатории предложил объяснить неудачи экспериментов по прямому поиску темной материи тем, что частицы темной материи обходят Землю стороной, и детектировать попросту нечего. В своей статье он рассматривает гипотетическую силу отталкивания, которая быстро затухает (экспоненциально) при удалении от массивных объектов и становится незаметной на масштабах галактик, но не дает частицам темной материи приблизиться к таким телам, как Земля или Солнце. Если гипотеза физика верна (а подтверждений у нее пока что нет), работа американских физиков не имеет смысла, поскольку темная материя не будет падать на нейтронные звезды и разогревать их.
nplus1, 12 февраля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/02/12/dark-neutron
Статья опубликована в Physical Review D.
Физики из Калифорнийского и Нотр-Дамского университетов
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.043006
Глава 13-3-2
Распады нейтрона указали на существование темной материи
Май 2018
Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили объяснить с помощью темной материи расхождение между «бутылочными» и «пучковыми» экспериментами по определению времени жизни свободного нейтрона. Для этого около одного процента распадов нейтронов должно содержать в качестве конечного продукта частицу темной материи, масса которой практически совпадает с массой протона. Статья опубликована в Physical Review Letters.
В связанном состоянии (внутри атомного ядра) нейтроны могут жить неограниченно долго, однако свободные нейтроны быстро распадаются. Как правило, продуктами такого распада выступает протон, электрон и электронное антинейтрино.
Время жизни нейтрона можно измерить двумя легко реализуемыми на практике способами. В первом типе экспериментов ученые охлаждают частицы до низкой температуры, помещают их в гравитационную ловушку и измеряют, как число нейтронов в ловушке N зависит от времени. Во втором типе экспериментов физики получают пучок нейтронов и измеряют, сколько в нем содержится протонов, образовавшихся в результате бета-распада. Это позволяет определить скорость распада, а следовательно, время жизни нейтрона.
Но результаты измерений, выполненных различными способами, отличаются почти на десять секунд.
Причинами подобного расхождения могут быть как систематические ошибки, упущенные из виду сразу несколькими группами экспериментаторов, так и фундаментальные механизмы, указывающие на физику за пределами Стандартной модели.
Физики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предлагают объяснить расхождение между результатами различных экспериментов с помощью темной материи. В самом деле, в «пучковом» способе предполагается, что в результате распада сто процентов нейтронов превращается в протоны плюс еще какие-нибудь менее массивные частицы (фотоны, нейтрино и так далее). Если же небольшая часть этих распадов будет происходить по «невидимому» каналу, то есть будет содержать в качестве конечных продуктов частицу темной материи, очень слабо взаимодействующую с веществом, то скорость распада занижается, и экспериментаторам кажется, будто нейтроны живут немного дольше.
Хотя статья физиков в Physical Review Letters вышла только на прошлой неделе, на сайте препринтов arXiv.org она была опубликована еще 3 января 2018 года. Поэтому несколько групп ученых уже успели применить идеи Форнала и Гринштейна в своей работе. В частности, группа исследователей из Америки и Франции — однако им так и не удалось зарегистрировать заметного сигнала, что исключает образование долгоживущих частиц темной материи в ходе распадов. Другие группы рассмотрели, как «невидимые» распады будут сказываться на эволюции нейтронных звезд — оказалось, что если бы такие распады действительно происходили, масса звезд быстро бы уменьшалась. Это противоречит наблюдениям; то есть в нейтронных звездах «невидимые» распады запрещены.
nplus1, 14 мая 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/05/14/dark-neutron
Physical Review Letters, 2018
Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein). Калифорнийский университет в Сан-Диего
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.191801
Глава 11-3-3
Эксперименты не нашли распады нейтрона на фотон и темную материю
Июль 2018
Американские физики экспериментально проверили предположение, что часть распадов нейтрона происходит с образованием частицы темной материи и фотона, и показали, что с достоверностью около 97 процентов такие распады не наблюдаются. Таким образом, проблема времени жизни нейтрона остается открытой. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Свободный протон стабилен с высокой степенью достоверности: в Стандартной модели время его жизни неограниченно, а альтернативные теории предсказывают время, много большее возраста Вселенной. Например, в наиболее простых теориях суперсимметрии (сокращенно SUSY) время распада протона составляет примерно 1030÷1036 лет, а экспериментально измеренное детектором Super-Kamiokande ограничение снизу достигает 1034 лет. Это на 25 порядков превышает возраст Вселенной, примерно равный 109 лет. С другой стороны, нейтрон, масса которого больше массы протона, легко распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (бета-распад). Из-за этого нейтроны могут жить неограниченно долго только внутри атомного ядра, а время жизни свободных частиц не превышает 15 минут.
Тем не менее, ученые до сих пор не могут точно сказать, чему равно это время. Эксперименты по прямому измерению времени жизни частицы расходятся. Например, эксперименты с нейтронами, помещенными в ловушку с бутылочным потенциалом, приводят к значению 879,6±0,6 секунд, а оценка времени по содержанию протонов, образовавшихся в пучке нейтронов в результате бета-распада, дает величину 888±2 секунды.
Чтобы объяснить это расхождение, в начале этого года физики-теоретики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предположили, что в части распадов нейтрона рождается не протон, а частица темной материи. Чтобы зарегистрировать такие частицы, нужно строить специальные сверхчувствительные установки, а через стандартные детекторы, которые ученые используют в экспериментах по определению времени жизни, темная материя проходит практически незаметно. В результате число распадов, происходящих в пучке, оказывается недооценено, а кажущееся время жизни нейтрона растет. Одно из предсказаний модели Форнала и Гринштейна — существование «наполовину видимых» каналов распада, в которых образуется как частица темной материи X, так и фотон, которые можно увидеть на практике.
nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/07/12/no-dark-neutron
Журнал Physical Review Letters,
Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.022505
Глава 11-3-4
Проверка модели Форнала и Гринштейна
В новой статье группа физиков под руководством Чжицзин Тана (Zhijing Tang) экспериментально проверила, существует ли в действительности такой канал распада. Для этого они поместили частицы, полученные на Лос-Аламосской установке по производству ультрахолодных нейтронов (Los Alamos UCN facility), в бутылку из нержавеющей стали, покрытую слоем никеля и фосфора. Предполагаемые фотоны ученые регистрировали с помощью детектора, состоящего из высокочистого германия (high-purity germanium, HPGe) и помещенного внутрь кольцевого детектора из германита висмута (bismuth germinate, BGO).
В результате ученые обнаружили, что в ожидаемом диапазоне от 782 до 1664 килоэлектронвольт не наблюдаются пики интенсивности, совпадающие с предсказанным уровнем сигнала — измеренная на практике интенсивность постоянна в указанном диапазоне и примерно в десять раз ниже теоретического значения. Таким образом, с достоверностью около 97 процентов эксперимент исключает сигнал от распада нейтрона. Разумеется, все еще остается возможным «полностью невидимый» канал распада, все продукты которого являются «темными», однако проверить это в прямом эксперименте при текущем уровне развития детекторов не удастся.
Интересно, что статья Бартоша и Форнала, посвященная времени жизни нейтрона, вышла в Physical Review Letters только в середине мая этого года, хотя препринт работы был выложен на сайте arXiv.org еще в начале января. Из-за этого к моменту выхода статьи ученые уже успели проверить предложенную модель и обнаружить, что «наполовину видимый» канал распада не наблюдается. Например, препринт статьи группы Чжицзин Тана появился еще в феврале, и в скорректированной версии своей работы Бартош и Форнал уже ссылаются на него.
nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/07/12/no-dark-neutron
Сайт arXiv.org , 2018
Чжицзин Тан
https://arxiv.org/abs/1802.01595
Глава 11-3-5
Темная материя замедлила гравитационные волны. Но заметить это замедление не получится
Июнь 2018
Два американских физика-теоретика показали, что темная материя сказывается на распространении гравитационных волн, изменяя их скорость, но величина этого изменения так мала, что почувствовать его на практике невозможно. Также ученые оценили влияние похожих эффектов на первичные гравитационные волны и показали, что при текущем уровне развития техники заметить их тоже нельзя, однако в будущем с их помощью можно будет получить информацию о состоянии вещества на ранних этапах жизни Вселенной. Статья опубликована в Physical Review D, препринт на сайте arXiv.org.
В вакууме электромагнитные волны (свет) распространяются со скоростью около 3×108 метров в секунду, которая одновременно является наибольшей возможной скоростью в природе. Тем не менее, в прозрачной среде скорость света снижается из-за взаимодействия с электромагнитными полями частиц. Грубо говоря, в среде электромагнитные волны постоянно рассеиваются, поглощаются и переизлучаются, а потому их эффективная скорость снижается. Кроме того, в среде, в отличие от вакуума, электромагнитные волны постепенно затухают. При прохождении через метровый слой идеально чистой воды интенсивность света падает на 1,5 процента, а после стометрового слоя — на четверть.
Что-то похожее происходит и с гравитационными волнами, которые представляют собой колебания кривизны пространства-времени. В пустом пространстве, которое не заполнено частицами и не искажается полями звезд или других массивных объектов, гравитационные волны свободно движутся со скоростью света в соответствии с предсказаниями ОТО. Однако в среде гравитационные волны должны постепенно затухать, поскольку колебания метрики будут «толкать» и разгонять частицы, расходуя на это энергию волны. В середине прошлого месяца группа индийских физиков-теоретиков показала, что скорость этого затухания пропорциональна вязкости среды, в которой распространяются волны, если ее можно рассматривать как неидеальную жидкость. Скорость волн при этом не меняется. Это позволило ученым оценить вязкость межзвездной среды, используя данные наблюдений группы LIGO/Virgo.
Тем не менее, в новой статье американские физики-теоретики Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) не соглашаются с этим результатом, замечая, что межзвездную среду нельзя описывать как жидкость. В самом деле, средняя концентрация атомов водорода в межзвездной среде оценивается одной частицей на кубический сантиметр, что при характерных размерах атома дает длину свободного пробега порядка 1011 километров. Это существенно превышает длины зарегистрированных гравитационных волн, находящиеся в промежутке от 300 до 1500 километров. То же самое можно сказать и про длину свободного пробега частиц темной материи. Они предложили рассматривать космическую материю как бесстолкновительный газ и проверили, как гравитационные волны ведут себя на его фоне.
Неожиданно оказалось, что в рассмотренной модели затухание волн не происходит — вместо этого скорость гравитационных волн уменьшается на небольшую величину, пропорциональную плотности материи и длине волны. Более того, это изменение настолько мало, что измерить его даже в далеком будущем не представляется возможным. Для гравитационной волны с наибольшей возможной длиной волны, сравнимой с радиусом видимой Вселенной, это изменение составляет менее одной миллионной от скорости света, а для зарегистрированных обсерваториями LIGO/Virgo волн — менее 10−43 от скорости света. Так что в настоящее время темная метрия не может оказать заметного эффекта на распространение гравитационных волн.
Но на ранних этапах жизни Вселенной, когда темная материя двигалась с релятивистскими скоростями, она могло более заметно сказываться на распространении гравитационных волн. Пересматривая используемые приближения и, заново решая уравнение, ученые получили, что это действительно так, и первичные гравитационные волны могут нести в себе информацию о состоянии вещества на ранних этапах — например, о константах связи и плотности энергии, которые входят в выражения для фазового сдвига и закон дисперсии. К сожалению, первичные гравитационные волны имеют низкую частоту и должны были подавляться на более поздних этапах эволюции Вселенной.
Наблюдения группы LIGO и присоединившейся к ней в августе прошлого года обсерватории Virgo позволяют ученым подробно исследовать гравитационные волны и проверить, существуют ли необычные эффекты, которые предсказывают теории за пределами Стандартной модели и Общей теории относительности. Например, с помощью этих наблюдений физикам удалось установить ограничения на массу гравитонов, скорость гравитационных волн, размерность и модуль упругости пространства-времени, в котором мы живем. Кроме того, в будущем, когда точность гравитационных детекторов вырастет, с их помощью можно будет отличить экзотические компактные объекты от черных дыр и подтвердить существование первичных черных дыр.
nplus1, 8 июня 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/06/08/Dark-GW
Physical Review D 2018
Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg)
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.123506
https://arxiv.org/abs/1801.00386
Глава 11-3-6
Новая эпоха в поисках темной материи
Октябрь 2018
Начиная с 1970-х гг. астрономы и физики собирали доказательства присутствия во Вселенной темной материи: таинственной субстанции, которая выдает свое присутствие только по гравитационному воздействию на нормальную материю. Однако, несмотря на большое число предпринятых попыток, ни одна из новых частиц, предложенных на роль частиц темной материи, так и не была обнаружена. В новом обзоре, опубликованном двумя учеными из Амстердамского университета, Нидерланды, Жанфранко Бертоне (Gianfranco Bertone) и Тимом Тэйтом (Tim Tait), говорится, что настало время расширить и диверсифицировать эксперименты по поискам темной материи, а также включить в эти поиски астрономические обзоры неба и наблюдения гравитационных волн. Статья опубликована в журнале Nature.
На протяжении трех последних десятилетий поиски темной материи были сфокусированы на частицах-кандидатах, известных как «слабо взаимодействующие массивные частицы», или ВИМПы (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). ВИМПы долгое время считались идеальными кандидатами на роль частиц темной материи, поскольку они, с одной стороны, могли быть произведены в ранней Вселенной в требуемом теорией количестве, а с другой стороны, помогали разрешить важные проблемы физики элементарных частиц, такие как большое расхождение между масштабом энергии слабого и гравитационного взаимодействий.
И хотя это решение 30 лет назад казалось вполне естественным, тем не менее, никакие из экспериментов, проведенных в течение последних 30 лет, не выявили убедительные доказательства существования ВИМПов. Бертоне и Тэйт считают, что наступает время расширить и диверсифицировать экспериментальные стратегии, «не оставляя при этом камня на камне».
Уникальность настоящего времени для кампании по поискам темной материи состоит в том, что сегодня уже разработан ряд методов, позволяющих значительно расширить возможности этих поисков. Бертоне и Тэйт, в частности, указывают на астрономические обзоры неба, в ходе которых крохотные вариации формы галактик, связанные с изменением формы гало из темной материи, окружающих эти галактики, или гравитационных искажений потоков света, идущего со стороны галактик, могут быть использованы для получения новых сведений о природе темной материи. Кроме того, считают Бертоне и Тэйт, значительную поддержку при поисках темной материи могут оказать наблюдения гравитационных волн – впервые успешно проведенные учеными в 2016 г. Объединение этих методов с традиционными методами поисков частиц темной материи в ускорителях частиц может дать возможность совершить прорыв в этом направлении в ближайшем будущем.
Astronews, 6 октября 2018
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=11324
Журнал Nature, 2018
Жанфранко Бертоне (Gianfranco Bertone) и Тим Тэйт (Tim Tait), Амстердамский университет, Нидерланды
Глава 11-3-7
Астрофизики зарегистрировали движение темной материи
Январь 2019
Международная команда исследователей изучила карликовые галактики и обнаружила, что звездообразование в них связано с движением и нагреванием темной материи. Ученые обнаружили доказательство того, что темная материя может нагреваться и перемещаться в результате звездообразования в галактиках. Новые данные предоставляют первое наблюдательное доказательство эффекта, известного как «нагревание темной материи», а также указывают на то, из чего темное вещество может состоять. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Ученые из Университета Суррея, Университета Карнеги – Меллона и Швейцарской высшей технической школы Цюриха искали признаки темной материи в центрах ближайших карликовых галактик – маленьких, тусклых галактиках, обычно вращающихся вокруг более крупных галактик, вроде Млечного пути. В них может содержаться информация, которая в дальнейшем может помочь нам лучше понять природу темной материи.
Считается, что Вселенная в основном состоит из темной материи. Однако, из-за того, что она не взаимодействует со светом таким же образом, как это делает обычная материя, ее можно наблюдать только посредством ее гравитационных эффектов. Тем не менее, ключ к ее изучению может заключаться в звездообразовании в карликовых галактиках.
Во время формирования звезд, сильный ветер может расталкивать газ и пыль из центра галактики. В результате, галактический центр уменьшается в массе, а это в свою очередь влияет на то, сколько гравитации испытывает оставшаяся темная материя. При меньшем гравитационном притяжении темная материя получает энергию и мигрирует из центра галактики – этот эффект называют «нагреванием темной материи».
Команда астрофизиков измерила количество темной материи в центрах 16 карликовых галактик с очень разной историей звездообразования. Они обнаружили, что галактики, звездообразование в которых прекратилось очень давно, имели большие плотности темной материи в своих центрах, чем те, в которых звезды еще продолжают формироваться. Это поддерживает теорию о том, что в более старых галактиках нагревание темной материи происходит меньше.
«Мы нашли поистине замечательное взаимоотношение между количеством темной материи в центрах этих маленьких карликов и звездообразованием, испытанных ими за время своего существования, – объясняет ведущий автор исследования, профессор Джастин Рид. – Похоже, что темная материя в центрах звездообразующих карликов «разогревалась» и вытеснялась».
Эти данные накладывают новые ограничения на модели темной материи: она должна быть способна формировать карликовые галактики, демонстрирующие диапазон центральных плотностей, которые должны соответствовать количеству звездообразования.
«Это исследование может быть «самым горячим» доказательством, на шаг приближающим нас к пониманию того, что такое темная материя. Наше открытие того, что она может нагреваться и перемещаться помогает мотивировать к поиску частицы темной материи», – говорит соавтор исследования, профессор Мэтью Уокер.
Команда надеется расширить работу, измерив центральную плотность темной материи в большей выборке карликовых галактик, изучив еще более тусклые галактики и протестировав больший диапазон моделей темной материи.
naked-science.ru, 4 января 2019
https://naked-science.ru/article/astronomy/astrofiziki-zaregistrirovali
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2019
Джастин Рид (J. Read) и др.
Университет Суррея, Университет Карнеги – Меллона и Швейцарская высшая техническая школа Цюриха
https://dx.doi.org/10.1093/mnras/sty3404
Глава 11-3-8
Темная материя пока никого не убила – и это дает нам информацию о ее природе
Июль 2019
До сих пор еще никто из людей на нашей планете не вкатился в больницу кубарем с диким воплем и дымящейся раной, похожей на отверстие от светового меча джедая – и это дает нам информацию о природе темной материи, согласно новому исследованию. Статья опубликована на сервере научных препринтов arxiv.org.
Никто точно не знает, что собой представляет темная материя; эта таинственная субстанция не излучает света, поэтому ее невероятно трудно изучать. Исследователи делают вывод о наличии темной материи, исходя из ее гравитационного влияния на звезды и галактики. Физики предлагали различные элементарные частицы-кандидаты на роль частиц темной материи, включая аксионы, слабо взаимодействующие массивные частицы (ВИМПы), а также «стерильные нейтрино». Однако, согласно другим гипотезам, темная материя может состоять из более крупных объектов, имеющих массу свыше одного грамма. Эти гипотетические макроскопические объекты, состоящие из темной материи, или «макро», могут быть экстремально компактными и иметь плотность вещества, сравнимую с плотностью атомных ядер. Если это так, то для обеспечения необходимой плотности распределения массы темной материи во Вселенной требуется отнюдь не много «макро» - и это может объяснять сложность их обнаружения.
В новом исследовании ученые во главе с Джагджитом Сингхом Сидху (Jagjit Singh Sidhu), студентом докторантуры Университета Кейс Вестерн Резерв, США, указали на красноречивые «детекторы» макро из темной материи – человеческие тела.
Макро, если они существуют, вероятно, движутся сквозь пространство со скоростями порядка 900 000 километров в час по отношению к нашей Солнечной системе. Если такое макро пройдет сквозь гранитную столешницу, то оно испарит часть материала, и след от его прохождения будет виден даже после того, как камень вновь затвердеет. Аналогичное прохождение макро сквозь человеческое тело привело бы к очень неприятным последствиям для организма, рассуждают авторы работы, поэтому отсутствие зарегистрированных обращений позволяет наложить определенные ограничения на размер и массу гипотетических макрообъектов из темной материи. В частности, это позволило исключить существование «крупных и легких» макро: так, макро размером свыше одного микрона (1/1000 миллиметра) и/или массой менее 50 килограммов, вероятно, составляют лишь небольшую долю от общего количества макрообъектов из темной материи, делает вывод команда Сидху.
astronews.ru, 27 июля 2019
Сервер научных препринтов arxiv.org. 2020
Джагджит Сингхм Сидху (Jagjit Singh Sidhu), студент докторантуры Университета Кейс Вестерн Резерв, США
Глава 11-3-9
«Хаббл» нашел самые маленькие сгустки темной материи
Январь 2020
Гравитационное линзирование помогло космическому телескопу «Хаббл» обнаружить самые маломассивные скопления темной материи. Массы этих образований находятся в диапазоне миллионов солнечных — это на 5–6 порядков ниже массы крупной галактики, например, Млечного Пути. Изучение обнаруженных сгустков поможет отбросить неправильные теории о природе темной материи и приблизиться к понимаю правильной, сообщили на съезде Американского астрономического общества.
При анализе ряда астрономических наблюдений с учетом только известных физических законов и видов вещества могут возникать несоответствия: например, проблема кривых вращения галактик. Для их объяснения ученые выдвигают различные теории, которые обычно называются моделями темной материи. Большинство из них предполагает, что темная материя — это новый компонент Вселенной, а состоит она из частиц без электромагнитного взаимодействия. В таком случае частицы темной материи могут формировать сгустки — подобно тому, как обычная материя собирается в галактики.
Многие предложенные варианты темной материи дают одинаковые предсказания для величин, которые сейчас можно проверить достоверно: например, параметры галактической эволюции. Отличить их можно, например, при помощи поиска маломассивных объектов из темной материи: в некоторых моделях образование небольших структур затруднено, а в других подобных ограничений нет. Пока что у астрономов, однако, данных для этого недостаточно.
С помощью «Хаббла» американские астрономы под руководством Анны Ниренберг (Anna Nierenberg) из Лаборатории реактивного движения NASA детально рассмотрели восемь квазаров, свет которых был искажен гравитационным линзированием, в результате чего каждый наблюдался в виде нескольких изображений. Основными преломляющими свет телами были массивные галактики, но положения и относительные яркости изображений квазаров указали на присутствия невидимых объектов с массами порядка 108 солнечных и меньше.
Объекты для наблюдения были выбраны из каталогов таким образом, чтобы их свет формировал конфигурацию креста Эйнштейна, то есть четыре отдельных источника, — так происходит только в случае очень близкого попадания преломляющего объекта на луч зрения. Такая ситуация позволяет с высокой точностью определить массу и размер искажающих свет объектов, но в случае изученных квазаров моделирование не смогло воспроизвести наблюдаемую конфигурацию при учете лишь одного крупного источника тяготения, однако добавление более мелких позволяло воспроизвести наблюдаемую картину.
Обнаруженные малые массы образований уже делают модели теплой темной материи маловероятными, так как в них предполагаются достаточно высокие скорости частиц, не позволяющие формироваться небольшим структурам. При этом их существование не запрещено в рамках стандартной модели холодной темной материи, частицы которой должны обладать достаточно высокими массами и небольшими скоростями по сравнению со светом.
nplus1.ru, 9 января 2020, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2020/01/09/smaller-than-dwarf
Съезд Американского астрономического общества.
Анна Ниренберг (Anna Nierenberg) из Лаборатории реактивного движения NASA
Глава 11-3-10
Новая элементарная частица может оказаться «атомом» темной материи
Март 2020
Исследователи считают, что темная материя может состоять из недавно обнаруженных частиц – гексакварков d*. Как протоны, так и нейтроны состоят из трех мельчайших частиц, называемых кварками. Гексакварки отличаются тем, что состоят не из трех, а из шести кварков. Их существование было предсказано еще несколько десятилетий назад, и в 2014 г. ученым удалось подтвердить эту гипотезу. Исследование опубликовано в журнале Physics G Letters.
Хотя эти экзотические частицы состоят из большего числа кварков, чем протоны, на самом деле гексакварки намного меньше по размерам, чем хорошо знакомые нам частицы. Гексакварки относятся к бозонам, и это означает, что множества гексакварков d* могут формировать структуры, отличающиеся от тех структур, которые образуют протоны и нейтроны.
Согласно Михаилу Башканову с кафедры физики Йоркского университета, Великобритания, гексакварки могли конденсироваться, формируя темную материю, в необычных условиях сразу после Большого взрыва.
В своем исследовании Башканов и его коллега Дэниэл Уоттс (Daniel Watts) показывают, что в ранний период развития Вселенной гексакварки d* могли при остывании формировать то, что называют конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC).
BEC представляет собой экзотическое, пятое состояние материи, которое наблюдается, когда облако субатомных частиц остывает до температур, приближающихся к абсолютному нулю Кельвинов (минус 273,15 градусов Цельсия). При этих экстремальных температурах частицы объединяются в единую структуру, которая может быть описана при помощи волновой функции. Другими словами, частицы объединяются и ведут себя так, словно они представляют собой единый атом.
Несмотря на то что гексакварки в лаборатории склонны к быстрому спонтанному распаду, Башканов считает, что они являются намного более стабильными и долгоживущими в недрах нейтронных звезд и, возможно, также в составе BEC. Авторы считают, что BEC представляет собой то, что мы сегодня называем темной материей.
astronews.ru, 7 марта2020
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20200307053932
Журнал Physics G Letters.
Михаил Башканов, Дэниэл Уоттс (Daniel Watts), кафедра физики Йоркского университета, Великобритания
Глава 11-3-11
Темные аксионы ограничили с помощью нейтронных звезд
Декабрь 2020
Ученые использовали данные об излучении нейтронных звезд в радиодиапазоне для поиска аксионов — гипотетических элементарных частиц, претендующих на принадлежность к темной материи. Они воспользовались тем, что сильное магнитное поле от нейтронных звезд должно приводить к переходу темных аксионов в фотоны, которые уже можно зарегистрировать. Исследователям не удалось зарегистрировать такие процессы, но полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли другие эксперименты в части диапазона масс. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Существует множество предположений о форме, в которой могла бы существовать темная материя: от легчайших стерильных нейтрино до тяжелых вимпов. Одним из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи является темный аксион — гипотетическая сверхлегкая нейтральная элементарная частица.
Регистрация темных аксионов — крайне сложная задача: согласно предсказывающим их существование теориям, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Но в этом случае полезным для физиков обстоятельством является другая особенность темного аксиона, который может превращаться в фотон при взаимодействии с сильным магнитным полем с резонансной для аксиона частотой.
Группа ученых во главе с Джошуа Фостером (Joshua Foster) из Мичиганского университета использовали радиотелескоп Грин-Бэнк и Эффельсбергский радиотелескоп для наблюдения за рядом объектов, от которых ожидался яркий сигнал преобразования аксионов в фотоны, в том числе за центром Млечного Пути, а также за двумя близлежащими к нему нейтронными звездами RX J0720 и RX J0806.
Физикам нужно было перевести полученные результаты в ограничения на константу взаимодействия процесса перехода аксиона в фотон. Для этого ученые провели моделирование исследуемого процесса в окрестности изученных объектов, учтя их местоположение и прогнозируемые распределения плотности аксионной темной материи вокруг них, погрешность соответствующие вычислений для центра Млечного Пути оказалась сильно больше, чем для нейтронных звезд. Тем не менее, полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли результаты эксперимента CAST в ЦЕРНЕ.
Авторы отмечают и то, что данное исследование — лишь первая попытка использовать нейтронные звезды в качестве проб существования аксионной темной материи, и что в дальнейшем продемонстрированный метод может быть улучшен для получения еще более строгих ограничений. Ученые возлагают большие надежды и на новые поколения радиотелескопов, с помощью которых можно будет на порядки увеличить чувствительность измерений.
Источником магнитного поля для перехода аксиона в фотон совсем не обязательно должна быть нейтронная звезда: в главе …. рассказано об эксперименте ADMX, в котором детектор самостоятельно генерирует магнитное поле в охлаждённой полости и регистрирует рожденные в ней фотоны.
nplus1.ru, 24 декабря 2020, Никита Козырев
https://nplus1.ru/news/2020/12/24/dark-matter-from-neutron-stars
Журнал Physical Review Letters. 2020
Джошуа Фостер (Joshua Foster) из Мичиганского университета
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.171301
Глава 11-3-12
Пульсары могут подсветить темную материю
Октябрь 2023
Вращающиеся нейтронные звезды могут быть «фабриками» по производству аксионов — гипотетических частиц темной материи, если она состоит именно из них. Ученые смоделировали работу такой «фабрики» и проверили расчеты на 27 пульсарах. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
По оценкам ученых, примерно 85% вещества во Вселенной — темная материя. Но изучить ее нам не удается, потому что с обычной материей она взаимодействует будто бы исключительно гравитационно. Из темной материи не формируются звезды и галактики, хотя несколько лет назад астрономы предположили, что из темной материи могли быстро сформироваться первые сверхмассивные черные дыры во Вселенной.
Темная материя не поглощает, не испускает и не рассеивает излучение. По крайней мере в том объеме, который астрономы могли бы легко засечь современными инструментами. И все же встречаются небольшие расхождения в данных наблюдений и расчетов, которые ученые пробуют объяснить с помощью темной материи.
Так оптический фон Вселенной, измеренный космическим зондом New Horizons, оказался почти вдвое ярче, чем предсказывали теории и модели. Астрофизики из Университета Джонса Хопкинса (США) предположили, что это дополнительное свечение возникает из-за распада в мощных магнитных полях аксионов — одних из кандидатов в темную материю. Возможно, аксионы придают силу не только излучению фона.
Аксионы — гипотетические частицы, предложенные в 1970-х в качестве объяснения несовпадений расчетов с наблюдениями внутренних процессов в нейтронах. Даже само название произошло от названия бренда стирального порошка, ведь частица должна была «очистить» несостыковку в данных. Многие ученые считают, что она поможет и в решении проблемы темной материи.
Исходя из изначальных предположений о сущности аксионов ученые сделали вывод, что эти частицы не могут возникать во Вселенной повсеместно, но в присутствии мощных электромагнитных полей они должны распадаться на фотоны. Самые мощные электромагнитные поля — у пульсаров, вращающихся нейтронных звезд. Более того, пульсары, будучи мощнейшими магнитами, могут заодно быть «фабриками» по производству аксионов из фотонов. Значит, нужно приглядеться к пульсарам: «лишнее» излучение, как в случае с фоном Вселенной, может быть следствием распадающихся аксионов.
В новом исследовании ученые разработали теоретическую основу работы такой «фабрики» и рассчитали, насколько ярче должно быть излучение пульсара. Затем группа проверила свои предположения на данных наблюдений за 27 пульсарами.
К сожалению, им не удалось засечь «лишнее» излучение — возможно, проблема в том, что мы не до конца понимаем природу излучения самих пульсаров. Но зато, как оптимистично заявили авторы работы, им удалось наложить ограничения на параметры взаимодействия аксионов с излучением. Причем расчеты проводили в полной независимости от предположений об участии этих частиц в составе темной материи.
Весной в исследовательском центре DESY (Германия) стартовал эксперимент ALPS II по превращению фотонов в аксионы и обратно в фотоны. Полной чувствительности ученые собирались достичь во второй половине этого года. А в следующем — модернизировать систему зеркал. Первые результаты обещали опубликовать в 2024-м.
Стоит отметить, что многие астрофизики сегодня с большим сомнением воспринимают идеи о том, что темная материя состоит из частиц — неважно, аксионов или вимпов. Этому противоречат наблюдения за скоплениями галактик Пуля и Толстяк, показывающие такие скорости их сближения, которые несовместимы с трением, неизбежным для сценария, если темная материя состоит из частиц. В связи с этим все большую популярность набирают альтернативные объяснения ее природы.
naked-science, 10 октября 2023, Дарья Г.
https://naked-science.ru/article/astronomy/axions-near-pulsars
Physical Review Letters, октябрь 2023
Университет Джонса Хопкинса (США)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.111004
Часть 11-4
Млечный Путь и Солнечная система
Содержание
(том – часть – глава)
11-4-1. Тёмная материя в ближней Вселенной
11-4-2. В центре Млечного Пути обнаружены следы темной материи
11-4-3. У Земли предсказали существование «волос» из темной материи
11-4-4. В окрестностях Млечного Пути обнаружили следы темной материи
11-4-5. Гамма-излучение балджа Галактики не связано с темной материей
11-4-6. Физики предсказали «ураган» темной материи после столкновения Млечного Пути с другой галактикой
11-4-7. Физики возродили идею о сигнале темной материи из центра Галактики
11-4-8. Астрономы выяснили размеры темного гало нашей Галактики
11-4-9. На окраинах Млечного Пути не нашли нестабильной темной материи
11-4-10. Дополнительное излучение в центре Галактики не связано с распадом темной материи
11-4-11. Подтверждено существование таинственной темной материи в Млечном Пути
11-4-12. Темная материя замедляет вращение перемычки нашей Галактики
11-4-13. Ученые пересмотрели количество ультралегкой темной материи в Млечном Пути
Глава 11-4-1
Тёмная материя в ближней Вселенной
Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным) веществом, по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.
Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме земного шара. Однако измерения дали значение не более 0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.
Опубликованное в 2013 году исследование движения тел Солнечной системы, основанное на данных 677 тысяч позиционных наблюдений планет и космических аппаратов c 1910 годапозволило получить верхнюю оценку на количество возможного тёмного вещества в Солнечной системе — общее количество тёмной материи в пределах сферы, ограниченной орбитой Сатурна, составляет не более 1,7⋅10-10 масс Солнца.
Глава 11-4-2
В центре Млечного Пути обнаружены следы темной материи
Февраль 2015
Считается, что темная материя «дирижирует» динамикой крупномасштабной структуры Вселенной, управляет эволюцией галактик и скоплений. Она образует колоссальные тяжи и сгустки, а между тем до сих пор не удается зарегистрировать никаких прямых свидетельств ее существования. Возможно, шагом к этому эпохальному открытию станет новая работа европейских ученых из обсерватории ESO.
Дело в том, что астрофизики до сих пор спорят о том, как распределяется темная материя в нашем Млечном Пути. Одни считают, что она образует своего рода внешнюю скорлупу, гало, окружающее галактику; другие полагают, что значительные ее количества имеются и в центре. Похоже, что правы были вторые: судя по данным недавней работы, темной материи в активном центре Млечного Пути предостаточно.
Ученые изучили собственные скорости движения звезд в разных областях нашей галактики и показали, как они меняются с изменением расстояния от центра. Эти данные были использованы для моделирования Млечного Пути с учетом современных представлений о количестве обычной материи в нем. Авторы показали, что, если не включать в расчет притяжение темной материи, результаты его резко не совпадут с наблюдаемыми скоростями звезд.
Единственный способ добиться согласия модели и наблюдений – ввести воздействие значительных количеств темной материи, присутствующей в центре Млечного Пути. Возможно, теперь многие попытки ее обнаружить будут направлены не к далеким мирам, а непосредственно в центр нашей галактики.
naked-science.ru, 10 февраля 2015
https://naked-science.ru/article/sci/v-tsentre-mlechnogo-puti-obnar
Журнал nature, 2015
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3237.html
Глава 11-4-3
У Земли предсказали существование «волос» из темной материи
Ноябрь 2015
Гэри Презо, физик из Лаборатории реактивного движения NASA, обнаружил, что в результате гравитационных взаимодействий темной материи с планетами, вокруг последних могут возникать причудливые объекты, напоминающие волосы. Эти структуры окружают планеты на расстоянии порядка миллиона километров и могут быть использованы для прямого обнаружения темной материи. Исследование будет опубликовано на этой неделе в
Презо использовал компьютерное моделирование для того, чтобы выяснить, каким образом темная материи может взаимодействовать с различными планетами. Его расчеты показали, что при прохождении потока частиц темной материи сквозь планету он гравитационно фокусируется в очень плотную нить, причем точка фокуса для частиц, прошедших сквозь земное ядро, лежит в миллионе километров от него. Концентрация частиц темной материи в этом фокусе, который физик сравнивает с корнем волоса, в миллиард раз выше, чем в среднем во Вселенной. Те же частицы, которые лишь касаются поверхности Земли, фокусируются в два раза дальше — эту точку автор сравнивает с кончиком волоса.
По словам Презо, у Земли должно быть очень много таких «волосков». Если точно указать на местоположение корня такого объекта, то к нему можно отправить космический аппарат, который получит очень хороший шанс исследовать свойства темной материи. Автор отмечает, что плотность темной материи в корнях Юпитера будет еще в тысячу раз больше.
У исследования есть еще одно неожиданное приложение. Моделирование показало, что любые колебания плотности внутри планеты будут отражаться в виде дефектов в структуре «волос». Это означает, что если ученые научатся анализировать строение этих волос, то из этих данных удастся выяснить детали строения не только Земли, но и других планет Солнечной системы без непосредственного контакта с их поверхностью.
Теория волокнистого строения темной материи — следствие ряда теоретических вычислений, выполненных еще в 1990-х годах. Согласно им, внутри отдельных потоков частицы темной материи движутся с одинаковой скоростью, обращаясь вокруг галактик. Размеры таких потоков могут превосходить размеры нашей Солнечной системы, уточняет Гэри Презо.
Образование этих потоков среди обыкновенного вещества физик сравнивает со смешиванием шоколада и ванильного мороженого — если взять по ложке одного и другого и несколько раз помешать их по кругу, то образуется смесь, в которой, тем не менее, можно различить по отдельности шоколад и мороженое.
Темная материя, по современным представлениям составляет 27 процентов всей материи и энергии Вселенной. Остальные 73 процента делят между собой обычная материя (пять процентов) и темная энергия (все остальное). Ни темная материя, ни темная энергия не были до сих пор обнаружены напрямую, однако их существованием объясняется ряд гравитационных эффектов в галактиках и такой феномен, как ускоряющееся расширение Вселенной.
nplus1, 24 ноября 2015, Владимир Королёв
https://nplus1.ru/news/2015/11/24/dark-1M-km-long-hairs
Гэри Презо, физик из Лаборатории реактивного движения NASA
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2015-354&rn=news.xml&rst=4774
Глава 11-4-4
В окрестностях Млечного Пути обнаружили следы темной материи
Сентябрь 2016
Ученые обнаружили в звездном потоке, вращающемся вокруг центра нашей Галактики, два больших разрыва, которые могли появиться в результате прохождения сквозь него сгустков темной материи. Работа исследователей была принята к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, с текстом статьи можно ознакомиться на сервере препринтов ArXiv.
Темную материю невозможно обнаружить с помощью прямого наблюдения. Поэтому исследователи вынуждены использовать альтернативные методы. В частности, измеряются скорости, с которыми галактики в галактических скоплениях движутся вокруг общего центра; анализируют, как искажаются изображения астрономических объектов из-за эффекта гравитационного линзирования; наблюдают за рентгеновским излучением горячего газа в скоплениях.
В новой работе ученые использовали собственный метод поиска темной материи. С помощью фотометрии высокого разрешения они изучали распределение звезд в звездном потоке Palomar 5. Когда-то он представлял собой шаровое скопление, однако впоследствии это скопление было «разорвано» гравитацией Млечного Пути и вытянуто вдоль орбиты под действием приливных сил. Звездный поток считается довольно простой и хрупкой структурой и его целостность вполне может быть нарушена достаточно массивным объектом.
В Palomar 5 наблюдаются два «разрыва» разной величины. Компьютерное моделирование показало, что они могли появиться в результате прохождения рядом со звездным потоком пары сгустков теплой темной материи, также известных как субгало. По оценкам ученых, их масса составляет 106–107 и 107–108 масс Солнца, что на самом деле считается достаточно маленьким значением для такого типа объектов. Если последующее измерение лучевых скоростей и собственного движения звезд в потоке подтвердит гипотезу ученых, то обнаруженные субгало окажутся самыми маленькими из известных.
Авторы работы заявляют, что если субгало имеют меньший размер, чем самая маленькая карликовая галактика, то его частицы будут достаточно массивными.
В то же время ученые не исключают, что «разрывы» в звездных потоках могли быть вызваны гравитационных влиянием бара (перемычки), проходящего через центр Галактики, или гигантского молекулярного облака — обширной области молекулярного газа с массой 104–106 солнечных масс..
nplus1, 9 сентября 2016, Кристина Уласович
https://nplus1.ru/news/2016/09/09/dark-matter
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Сайт препринтов ArXiv
http://arxiv.org/abs/1609.01282
Глава 11-4-5
Гамма-излучение балджа Галактики не связано с темной материей
Март 2018
Команда исследователей из США, Новой Зеландии, Австралии и Германии обнаружила факты, указывающие на то, что наличие обширных источников гамма-излучения близ центра Млечного пути связано с наличием остатков массивных звезд, а не с наличием темной материи. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy; главный автор Оскар Масиас (Oscar Macias).
За несколько последних лет астрофизики пришли к своего рода консенсусу относительно обширных полей гамма-излучения, наблюдаемых близ центра Млечного пути – считается, что, вероятно, это излучение связано с частицами темной материи (ВИМПами), сталкивающимися друг с другом и с частицами нормальной материи. Однако в этом новом исследовании ученые сообщают об обнаружении другого возможного источника, который бросает тень сомнения на темную материю как возможную причину возникновения этого излучения.
Исследователи изучили данные, собранные при помощи космической гамма-обсерватории Fermi («Ферми»), которая находится на орбите в течение всего последнего десятилетия. При анализе этих данных ученые обратили внимание на то, что распределение гамма-излучения повторяет распределение звезд в окрестностях центра Галактики – излучение оказалось распределено в форме буквы X, а не в форме сферы, как ожидалось, исходя из гипотезы, включающей темную материю. Моделируя возможные причины такого распределения излучения, команда пришла к выводу, что наблюдения лучше всего объясняются популяцией миллисекундных пульсаров (стремительно вращающихся нейтронных звезд) – их объединенное излучение могло сформировать тот самый сигнал, который изначально был приписан темной материи.
astronews. 14 марта 2018
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=10750
Журнал Nature Astronomy. 2018
Оскар Масиас Oscar Macias)
Глава 11-4-6
Физики предсказали «ураган» темной материи после столкновения Млечного Пути с другой галактикой
Ноябрь 2018
Физики из Испании и Великобритании показали, что поток звезд в окрестностях Солнечной системы, который возник в результате столкновения Млечного пути и карликовой галактики, должен сопровождаться «ураганом» темной материи, а затем оценили, можно ли почувствовать его с помощью детекторов темной материи. Оказалось, что сильнее всего «ураган» скажется на экспериментальных данных в том случае, если темная материя состоит из легких аксионов. Статья опубликована в Physical Review D, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В апреле прошлого года группа астрономов под руководством Сергея Копосова обнаружила, что звезды в окрестностях Солнечной системы движутся в сторону, противоположную направлению вращения нашей галактики. В то время как ожидаемая радиальная скорость «покоящейся» звезды в окрестностях Солнца составляет примерно 230 километров в секунду, средняя скорость звезд из открытого потока не превышает 115 километров в секунду. Кроме того, звезды из потока движутся под небольшим углом к плоскости галактики.
Ученые проанализировали химический состав звезд, рассчитали их возраст и пришли к выводу, что этот поток — остатки карликовой галактики (массой порядка 10 миллиардов масс Солнца), которая врезалась в Млечный Путь около девяти миллиардов лет назад. Астрофизики не сомневаются, что основная масса галактики — темная материя. Следовательно, в результате столкновения с карликовой галактикой должен был возникнуть не только поток звезд, но и поток темной материи (авторы статьи называют его «ураганом»).
Группа ученых под руководством Василия Белокурова подробно исследовала эту гипотезу, рассмотрев различные теории темной материи и способы ее непосредственного детектирования. Для описания темной материи исследователи использовали Стандартную модель гало (standard halo model, SHM).
После общего теоретического анализа исследователи проверили конкретные сценарии, в которых можно заметить отклонения от распределения темной материи.
Были рассмотрены три вида детекторов темной материи.
1. Многотонные ксеноновые детекторы — основной тип, который используются в данный момент. В частности, к этому типу относятся детекторы XENON1T и PandaX-II. Такие детекторы могут отслеживать вимпы — слабо взаимодействующие частицы с массами более пяти масс протона. К сожалению, ксеноновые детекторы теряют информацию о направлении движения вимпа, а потому их сложно использовать для выделения потока темной материи от поглощенной галактики.
2. Направленные детекторы темной материи. Такие детекторы регистрируют не только энергию столкновения вимпа и ядра, но и направления, в котором они разлетаются. Построить такой детектор очень сложно, и в настоящее время таких установок нет. Тем не менее, физики уже разработали несколько прототипов — например, детектор CYGNUS, который содержит от тысячи до 100 тысяч кубических метров газообразной смеси гелия и гексафторида серы. Предполагается, что по трекам частиц в этом детекторе можно будет оценить скорость и направление частиц темной материи.
3. Наконец, физики рассмотрели модель аксионной темной материи, в которой частицы темной материи имеют очень маленькую массу (не больше одного миллиэлектронвольта). Для регистрации таких частиц ученые разработали галоскопы — «радио для темной материи». Расчеты ученых показывают, что в этой модели почувствовать поток темной материи проще всего. Во-первых, из-за него увеличивается дисперсия скорости аксионов, и чувствительность детектора резко возрастает. Во-вторых, если ученые действительно экспериментально зарегистрируют аксионы и измерят их массу, можно будет рассчитать скорость потока темной материи и сравнить ее скоростью потока звезд, измеренной независимо.
nplus1, 12 ноября 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/11/12/dark-hurricane
Журнал Physical Review D, 2018
Василий Белокуров
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.98.103006
https://arxiv.org/abs/1807.09004
Глава 11-4-7
Физики возродили идею о сигнале темной материи из центра Галактики
Декабрь 2019
Ученые показали, что существующие методы анализа данных в гамма-диапазоне неспособны надежно исключить вклад размытого сигнала, причиной которого может быть гипотетическая аннигиляция частиц темной материи. В результате выводы о пульсарной природе наблюдающегося избытка излучения из центра Млечного Пути не могут считаться окончательными, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Согласно подавляющему большинству моделей темной материи, ее частицы должны формировать протяженные гало, в которые погружены все галактики, в том числе Млечный Путь. В таком случае в центре систем должна наблюдаться заметная концентрация таких частиц. При этом ряд теорий предполагает, что между ними могут происходить взаимодействия, в том числе аннигиляции. Ее результатом должно стать появление фотонов, чья энергия будет зависеть от массы исходных частиц.
Подобные сигналы были зарегистрированы, причем как в рентгеновском диапазоне (линия излучения в направлении галактики Андромеды и скопления в Персее), так и в гамма (избыток излучения из центра Млечного Пути). Однако впоследствии вывод о том, что это следы аннигиляции темной материи, посчитали маловероятными, так как было показано, что подобные особенности могут появляться в результате свечения популяции необнаруженных миллисекундных пульсаров.
В новой работе Ребекка Лин (Rebecca Leane) и Трейси Слейтер (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического института искусственно добавляли в реальные данные ожидаемый сигнал темной материи, который все равно определялся программой как относящийся к пульсарам. Более того, созданный ранее алгоритм продолжал выдавать пульсары в качестве ответа, даже если искусственный сигнал темной материи создавался с повышенной интенсивностью, и лишь при десятикратном превышении ожидаемого уровня начинал правильно определяться. Ученые заключают, что такой анализ не дает надежных результатов, поэтому необходимо вернуться к исходной позиции, по которой избыток гамма-лучей из центра Млечного Пути все-таки может быть связан с темной материей.
nplus1, 13 декабря 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/12/13/dark-matter-strikes-again
ЖурналPhysical Review Letters. 2019
Ребекка Лин (Rebecca Leane) и Трейси Слейтер (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического института
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.241101
Глава 11-4-8
Астрономы выяснили размеры темного гало нашей Галактики
Карликовые галактики — спутницы Млечного Пути указали на самую дальнюю границу нашей Галактики — край ее темного гало, которое находится в 950 тысячах световых лет от центра. Статья принята к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, доступна в открытой библиотеке препринтов arXiv.org.
Согласно точным данным, полученным астрометрической миссией Gaia, радиус сияющего диска Галактики составляет 129 тысяч световых лет. Однако Млечный Путь далеко не исчерпывается всеми звездами, скоплениями и газовыми облаками. Далеко за пределы его видимой части простирается массивное гало темной материи. Его нельзя рассмотреть ни в один телескоп, однако притяжение гало ускоряет движение звезд во внешних частях диска Галактики и влияет на соседние с ней объекты.
Это влияние использовали Элис Дисон (Alis Deason) и ее коллеги из Даремского университета, чтобы оценить размеры темного гало Млечного Пути. По их данным, диаметр гало на порядок больше галактического диска и достигает 1,9 миллиона световых лет.
Ученые провели моделирование гало темной материи для галактики с той же массой, что и у Млечного Пути (по данным того же зонда Gaia, она оценивается в 1,5 триллиона масс Солнца, считая темную материю), и в аналогичном окружении. Напомним, он располагается в Местной группе гравитационно связанных друг с другом галактик. В непосредственной близости от нашей движутся несколько карликовых галактик-спутниц, а всего лишь в 2,5 миллиона световых лет находится крупная галактика Андромеда.
Моделируя динамику соседей Млечного Пути, авторы обнаружили, что за краем гало темной материи скорости движения близких карликовых галактик падают, указывая на самую дальнюю границу Галактики. Тогда ученые обратились к данным реальных наблюдений за поведением соседок Млечного Пути по Местной группе. Такое падение скоростей зафиксировано на расстоянии около 292 килопарсек (950 тысяч световых лет) от центра Галактики — в 35 раз дальше, чем находится Солнце. Получается, полный диаметр Млечного Пути составляет 1,9 миллиона световых лет.
naked-science.ru, 24 марта 2020, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/astronomy-vyyasnili-razmery-temnogo-galo-nashej-galaktiki
Сайт препринтов arXiv.org.
Элис Дисон (Alis Deason). Даремский университет
https://arxiv.org/abs/2002.09497
Глава 11-4-9
На окраинах Млечного Пути не нашли нестабильной темной материи
Март 2020
Длительные наблюдения за окраинами Млечного Пути заставили астрономов усомниться в популярной теории о том, что избыток рентгеновского излучения в свечении нашей Галактики стал результатом распадов частиц темной материи. Выводы ученых были опубликовал научный журнал Science.
Споры о природе темной матери ужесточились в 2009 году – после того, как орбитальный телескоп Fermi обнаружил, что центральная часть Млечного Пути вырабатывает заметно больше рентгеновского и гамма-излучения, чем предсказывают расчеты, которые основаны на плотности распределения звезд и активности в центре черной дыры.
Многие космологи-теоретики посчитали, что существование этого излучения указывает на то, что частицы темной материи нестабильны по своей природе. Чтобы проверить эти гипотезы, десятки научных групп начали наблюдать как за нашей Галактикой, так и другими близлежащими объектами, в том числе Туманностью Андромеды.
Как отмечает Бенджамин Сафди, доцент Мичиганского университета (США), и его коллеги, эти наблюдения привели к противоречивым результатам. С одной стороны, астрономы действительно нашли в соседних галактиках и далеких их скоплениях похожий избыток рентгеновского излучения.
С другой, обсерватория NuSTAR обнаружила свидетельства того, что это свечение внутри Млечного Пути появилось из-за огромного количества пульсаров и черных дыр в центре Галактики, а вовсе не из-за распадов невидимых частиц. Это породило массу новых споров о том, из-за чего появляется это излучение и как оно может быть связано с темной материей.
Исчезающая темная материя
Сафди и его коллеги попытались найти ответ на этот вопрос, опираясь на одно из предсказаний теоретиков. Оно заключается в том, что аксионы, одна из форм легкой темной материи, по своей природе нестабильны. Расчеты астрономов указывают, что эти частицы должны распадаться на нейтрино и частицы света, энергия которых будет составлять примерно 3,5 кэВ.
Авторы статьи придумали методику для того, чтобы искать подобные распады. Они воспользовались тем, что европейский орбитальный телескоп XMM-Newton периодически следил не за конкретными объектами в нашей Галактике или за ее пределами, а на относительно пустые участки неба на окраинах Млечного Пути.
В отличие от центра Галактики, в этих участках, как предположили астрофизики, не должно быть точечных источников рентгеновских волн. В итоге, если бы астрофизики нашли там рентгеновские фотоны с «нужной» энергией, это автоматически стало бы прямым свидетельством существования нестабильных аксионов.
Руководствуясь этой идеей, ученые проанализировали все данные, которые XMM-Newton собирал за последние два десятка лет работы. В результате ученые собрали огромный массив данных и провели рекордные по чувствительности поиски следов легкой темной материи.
Несмотря на это, астрономы не смогли найти никаких намеков на то, что подобные распады происходят даже с очень малой вероятностью. Как считают Сафди и его коллеги, это говорит о том, что нестабильных аксионов в той форме, о которой писали теоретики, в природе нет.
aboutspacejornal.net, 27 марта 2020
Журнал Science. 2020
Бенджамин Сафди, Мичиганский университет (США)
Глава 11-4-10
Дополнительное излучение в центре Галактики не связано с распадом темной материи
Август 2020
Более чем 10 лет назад физики обнаружили избыток высокоэнергетического излучения со стороны центра Млечного пути, наблюдая его при помощи космического гамма-телескопа Fermi («Ферми»). Они предположили, что это излучение может указывать на аннигиляцию частиц темной материи, однако в новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review D, команда ученых из Калифорнийского университета, США, исключает такую интерпретацию.
В новой работе ученые во главе с Геворком Абазаджяном (Kevork Abazajian), профессором физики и астрономии Калифорнийского университета, сообщают, что после обширного сопоставления данных наблюдений, проведенных при помощи спутника Fermi, с современными моделями частиц темной материи, которые могли бы вызвать рассеянное аннигиляционное излучение вблизи центра Галактики, подходящего кандидата на роль частицы темной материи в диапазоне масс от 10 до 1000 масс протона обнаружено не было. Поскольку этот диапазон масс для современных физиков является наиболее привлекательным при поисках кандидатов на роль частицы темной материи, то полученные ограничения являются весьма жесткими.
Однако, как отмечает Абазаджян, эти результаты не отвергают гипотезу темной материи, а лишь позволяют исключить из рассмотрения часть моделей, описывающих поведение этой таинственной субстанции.
astronews.ru, 27 августа 2020
Журнал Physical Review D. 2020
Геворк Абазаджян (Kevork Abazajian), Калифорнийский университет
Глава 11-4-11
Подтверждено существование таинственной темной материи в Млечном Пути
Март 2021
Физики из Италии и Швеции подтвердили, что самым вероятным источником таинственного избытка гамма-излучения из центра Млечного Пути является темная материя. Препринт статьи с результатами исследования опубликован на сайте arXiv.org.
Ученые проанализировали данные, полученные с помощью космического телескопа Fermi, и сравнили их с астрономическими аномалиями, зарегистрированными детекторами и спектрометрами на международной космической станции (МКС). С 2009 года начал обнаруживаться избыток фотонов с энергиями, равными или превышающими один гигаэлектронвольт, исходящих из центра галактики. Ранее исследователи пытались объяснить аномалию скоплениями слабых пульсаров, а также существованием темной материи.
Новые результаты показали, что избыток гамма-лучей большей частью приходит именно из центра галактики, что и ожидается в случае, если источником являются неизвестные частицы, составляющие темную материю. Если бы гамма-излучение порождалось взаимодействием между космическими лучами и атомами, наблюдалась бы зависимость пространственного распределения фотонов от их энергии, однако такая зависимость не обнаружена.
Физики также показали, что гипотеза темной материи не опровергается аномалиями, зарегистрированными приборами МКС. К ним относится избыток позитронов и отсутствие фотонов высоких энергий от карликовых галактик, близких к Млечному Пути.
lenta.ru, 30 марта 2021
https://lenta.ru/news/2021/03/30/radiation/
arxiv.org
https://arxiv.org/abs/2101.11027
Глава 11-4-12
Темная материя замедляет вращение перемычки нашей Галактики
Март 2021
Скорость вращения галактической перемычки Млечного пути, состоящей из миллиардов плотно сконцентрированных звезд, уменьшилась почти на четверть с момента ее формирования, согласно новому исследованию. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
В этом новом исследовании группа под руководством Римпэи Чибы (Rimpei Chiba) проанализировала данные наблюдений, проведенных при помощи космического телескопа Gaia («Гея»), крупной группы звезд, потока Геркулес, которые находятся в резонансе с перемычкой – то есть, они обращаются вокруг центра Галактики с той же скоростью, что и перемычка. Аналогичное явление наблюдается в случае троянских и греческих астероидов Юпитера, которые движутся по орбите гигантской планеты, находясь в точках Лагранжа (перед Юпитером и позади него). Если вращение перемычки замедлялось, эти звезды должны были мигрировать в сторону периферии Галактики, чтобы сохранить период обращения неизменным.
В ходе анализа Чиба и его коллеги обнаружили, что звезды этого потока обогащены металлами (элементами тяжелее водорода и гелия) – и это стало подтверждением версии о миграции звезд потока из центра Галактики, где содержание металлов в веществе звезд в 10 и более раз превышает содержание металлов в веществе звезд внешней части Млечного пути.
Выяснилось, что перемычка – состоящая из миллиардов звезд общей массой в триллионы масс Солнца – замедлилась не менее чем на 24 процента с момента своего формирования.
Согласно авторам, такое замедление перемычки Млечного пути является важным подтверждением гипотезы темной материи, поскольку альтернативные теории гравитации не предполагают снижения скорости вращения перемычки Галактики.
astronews.ru, 15 июня 2021
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20210615091301
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2021
Римпэи Чиба (RimpeiChiba). Университет Оксфорд
Глава 11-4-13
Ученые пересмотрели количество ультралегкой темной материи в Млечном Пути
Ноябрь 2023
Продолжительные наблюдения за таймингом сигналов пульсаров позволили наложить ограничения на количество частиц ультралегкой темной материи. Согласно новым данным, ультралегкие частицы точно не могут составлять 100% темной материи в Млечном Пути. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.
Природа темной материи — одна из главных загадок современной астрофизики. Многие наблюдения и расчеты указывают на существование «невидимого» вещества, которое взаимодействует с «обычной» барионной материей лишь гравитационно. В их числе — что-то невидимое, «раскручивающее» внешние области галактических дисков быстрее положенных скоростей, движение скоплений галактик, расчеты по реликтовому излучению, колебания плотности барионной материи и другие.
Так как темная материя не взаимодействует с излучением, астрофизики не могут изучать ее привычными методами. Поэтому они ищут альтернативные способы. Межнациональная группа ученых European Pulsar Timing Array использует для поиска темной материи миллисекундные пульсары. Они собирают данные на протяжении почти четверти века.
Наблюдая за таймингом сигналов, приходящих от этих космических «маяков», группа старается оценить плотность ультралегких частиц темной материи. Если она существует, то должна искажать время между «вспышками» пульсаров. В новой работе ученые проанализировали уже второй набор данных наблюдений от шести европейских радиотелескопов.
«Идея [исследования] появилась, когда я спросил моего куратора, могу ли я продолжить исследования в сфере гравитационных волн, но с точки зрения физики элементарных частиц. Главной целью этого проекта было наложить ограничения на существование так называемой ультралегкой темной материи в нашей Галактике», — объясняет Клемент Смарра, один из авторов новой научной работы.
Благодаря более продолжительным и точным данным наблюдений ученым удалось определить, что гипотетические ультралегкие частицы с массой от 10−24.0 до 10−23,3 электронвольт не могут составлять всю темную материю в окрестностях Млечного Пути.
Модель холодной темной материи успешно объясняет многие аспекты масштабной структуры Вселенной, но не так хорошо работает на расстояниях меньше килопарсека. Например, согласно наблюдениям, плотность темной материи внутри галактик постоянна, а по модели — меняется от центра к краям. Другая известная проблема — «неправильное» количество галактик-спутников у Млечного Пути.
naked-science, 27 ноября 2023, Дарья Г.
https://naked-science.ru/article/astronomy/ultralight-dm
Журнал Physical Review Letters. Ноябрь2023
Межнациональная группа ученых European Pulsar Timing Array
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.171001
Часть 11-5
Карликовые галактики и темная материя
Содержание
(том – часть – глава)
11-5-1. Галактики-спутники из темной материи запускают мощные вспышки звездообразования
11-5-2. Астрономы разрешили проблему недостатка карликовых галактик около Млечного Пути
11-5-3. Новые наблюдательные данные бросают вызов гипотезе темной материи
11-5-4. Ультрафиолетовый фон Вселенной объясняет проблему нехватки небольших галактик
11-5-5. Физики предлагают объяснение различным кривым вращения галактик
11-5-6. Движение звезд в близлежащей галактике указывает на присутствие темной материи
11-5-7. Звезды разогревают темную материю
11-5-8. Вращение карликовых галактик не смогли объяснить имеющимися теориями
Глава 11-5-1
Галактики-спутники из темной материи запускают мощные вспышки звездообразования
Март 2016
Одним из ключевых положений современной модели формирования структур во Вселенной, известной как модель Lambda-Cold Dark Matter, является то, что галактики расположены внутри обширных и очень массивных гало из темной материи, которые окружены тысячами небольших субгало, также состоящих из темной материи. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.
Вокруг крупных галактик, подобных Млечному пути, эти субгало из темной материи являются достаточно крупными для того, чтобы собрать достаточно много газа и пыли и сформировать отдельные небольшие галактики, известные как галактики-спутники. При столкновениях таких галактик с родительской галактикой происходит вспышка звездообразования.
Вокруг карликовых галактик также находятся субгало из темной материи, однако масса этих образований недостаточно велика для формирования из них самостоятельных галактик, поэтому их в настоящее время невозможно увидеть в телескоп.
Однако в новом исследовании ученым во главе с Лорой Сейлз из Калифорнийского университета, США, удалось на теоретической модели взаимодействия карликовой галактики с её субгало из темной материи показать, что при приближении субгало из темной материи к карликовой родительской галактике происходит сжатие газа родительской галактики под действием гравитации и наблюдается вспышка звездообразования, подобная той, что происходит в случае крупных галактик и их спутников. Эти вспышки звездообразования продолжаются в течение нескольких миллиардов лет, в зависимости от массы, орбиты «темного спутника» и концентрации темной материи в нем.
Согласно этому сценарию, большая часть карликовых галактик, которые мы наблюдаем сегодня, должна формировать звезды со значительно большей скоростью, чем ожидалось ранее – или испытывать вспышку звездообразования – что подтверждается данными наблюдений.
Astronews, 3 марта 2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8285
Журнал Astronomy & Astrophysics, 2016
Лора Сейлз из Калифорнийского университета, США
Глава 11-5-2
Астрономы разрешили проблему недостатка карликовых галактик около Млечного Пути
Сентябрь 2016
Астрономы создали одну из наиболее детальных компьютерных моделей зарождения галактики, подобной Млечному Пути. Она помогла разрешить проблему недостатка наблюдаемых карликовых галактик в местной группе. Статья ученых опубликована в журнале The Astrophysical Letters, кратко о ней рассказывает пресс-релиз на сайте Калифорнийского технологического института.
Согласно старым моделям происхождения Млечного Пути, наша галактика должна быть окружена тысячами карликовых галактик, состоящих из нескольких миллиардов звезд. В действительности же ученым на сегодняшний день удалось обнаружить всего лишь около пятидесяти таких объектов в местной группе. Ранее исследователи предполагали, что в их расчетах есть неточность, так как они не до конца понимают природу темной материи, которая вместе с темной энергией составляет около 95 процентов наблюдаемой Вселенной. Однако в новая симуляция американских астрономов показывает, что проблема была не в «скрытой» материи.
В своей работе исследователи учли множество дополнительных сил, связанных с влиянием звезд на нашу галактику и ее окрестности. Кроме обычных компонентов, вроде водородного газа или темной материи, они добавили в модель давление электромагнитного излучения, фотоионизацию и фотоэлектрический нагрев частиц межзвездной пыли, звездный ветер, коллапс звездных ядер и рождение сверхновых типа Ia в результате взрывов белых карликов.
В итоге исследователям удалось получить в моделировании галактику с массой, приблизительно равной массе Млечного Пути (7×1010 масс Солнца), вокруг которой существует «правильное» число карликовых галактик. Как оказалось, что взрывы сверхновых оказались способны оказывать значительное влияние на материал, из которого формируются звезды, и на карликовые галактики. Создаваемый ими звездный ветер вполне может разрушить молодые карликовые галактики еще до наступления их зрелости, «выдувая» из них звезды и газ.
Симуляция охватывает период с момента спустя 100 миллионов после рождения Вселенной (z = 30) и до наших дней (z = 0).
В дальнейшем исследователи планируют продолжить работу над моделью. Они надеются предсказать, сколько самых маленьких и тусклых галактик ученым еще предстоит открыть.
Космологические симуляции представляют собой программу, которой задается начальное состояние некоторого количества частиц и законы их поведения. После этого она предоставляется сама себе и рассчитывает свойства и взаимодействие этих частиц во времени. Каждый элемент такой модели может быть звездой, галактикой, участком темной материи конкретной массы или просто неким объемом Вселенной ограниченного размера. Симуляции очень удобны для объяснения процессов, происходящих в космосе, и для их детального изучения на компьютере.
nplus1.ru, 13 сентября 2016, Кристина Уласович
https://nplus1.ru/news/2016/09/13/milky-way-simulation
Журнал The Astrophysical Letters, 2016
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/827/2/L23/meta;jsessionid=ED9503A1C91789FACE9D89847F74B999.c2.iopscience.cld.iop.org
Глава 11-5-3
Новые наблюдательные данные бросают вызов гипотезе темной материи
Сентябрь 2016
В конце 70-х астрономы Вера Рубин и Альберт Бозма независимо друг от друга нашли, что спиральные галактики вращаются почти с постоянной скоростью: линейные скорости звезд и газа, находящихся внутри галактики, почти не уменьшаются с увеличением радиуса, как следовало бы ожидать, исходя из законов Ньютона и распределения видимой материи, а вместо этого остаются постоянными. Такие «кривые плоского вращения» обычно связывают с наличием невидимой темной материи, окружающей галактики и дающей им дополнительное гравитационное связывание. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Команда исследователей во главе со Стейси МакГауф, заведующей кафедрой астрономии Университета Кейс Вестерн Резерв, США, нашла новые соотношения для спиральных и неправильных галактик: ускорение, наблюдаемое на кривых вращения, тесно коррелирует с гравитационным ускорение, ожидаемым, исходя из наличия в галактике только видимой материи.
Эти находки подтверждаются для 153 спиральных и неправильных галактик, от гигантских до карликовых, с массивными центральными балджами или вовсе без таковых. Соотношения остаются справедливыми как в случае галактик, состоящих в основном из звезд, так и в случае галактик, состоящих в основном из газа.
Независимый астрофизик Дэвид Меррет из Рочестерского технологического института, США, рецензировавший это исследование, сказал, что эти находки могут привести к новому пониманию внутренней динамики галактик.
astronews.ru, 22 сентября 2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8923
Журнал Physical Review Letters. 2016
Стейси МакГауф, заведующая кафедрой астрономии Университета Кейс Вестерн Резерв, США
Глава 11-5-4
Ультрафиолетовый фон Вселенной объясняет проблему нехватки небольших галактик
Март 2017
Астрономы разработали способ обнаружения ультрафиолетового фона Вселенной, который может объяснить, почему в космосе так мало небольших галактик. Ультрафиолетовое излучение невидимо, но оно проявляется как видимый красный свет, когда взаимодействует с газом.
Международная команда исследователей, возглавляемая Университетом Дарема, нашла способ измерить излучение с помощью наземных инструментов. Ученые заявляют, что их метод может быть использован для анализа эволюции ультрафиолетового фона и отображения того, как и когда он подавлял образование мелких галактик. Кроме того, новое исследование должно помочь в создании более точной модели развития Вселенной.
Ультрафиолетовое излучение – тип излучения (так же испускаемый нашим Солнцем), встречающийся во Вселенной повсеместно. Оно лишает более мелкие галактики газа, который необходим для образования звезд. Считается, что ультрафиолетовое излучение является причиной отсутствия у крупных галактик, подобных нашему Млечному пути, большого количество небольших галактик-компаньонов.
Моделирование показывает, что во Вселенной должно быть значительно больше мелких галактик, но ультрафиолетовое излучение остановило их развитие. Большие галактики смогли противостоять этому космическому обстрелу из-за толстых газовых облаков, окружающих их.
«Массивные и сверхмассивные черные дыры производят огромное количество ультрафиолетового излучения, накапливая ультрафиолетовый фон. Ультрафиолет возбуждает газ во Вселенной, заставляя его испускать красный свет так же, как газ внутри люминесцентной лампы «создает» видимый свет. Наше исследование показало, что у нас теперь есть возможность измерять и отображать ультрафиолетовое излучение, используя инструмент MUSE на Очень Большом Телескопе ESO в Чили, что поможет нам в дальнейшем совершенствовать модели образования галактик, узнавать больше об эволюции Вселенной и о том, почему так мало небольших галактик», – сказал Мишель Фумагалли, ведущий автор исследования из Института вычислительной космологии при Университете Дарема (Англия).
Кроме того, новый метод поможет ученым более точно определять температуру космического газа. «Ультрафиолетовое излучение нагревает газ до температуры выше, чем поверхность Солнца. Из такого горячего газа не могут рождаться звезды в небольших галактиках. Это объясняет, почему во Вселенной так мало малых галактик, а также почему у нашего Млечного Пути небольшое количество спутников», – заключил Том Теунс, соавтор исследования из Института вычислительной космологии при Университете Дарема.
in-space.ru, 22 марта 2017
https://in-space.ru/ultrafioletovyj-fon-vselennoj-daet-podskazki-o-propavshih-galaktikah/
Международная команда исследователей, возглавляемая Университетом Дарема
Мишель Фумагалли, ведущий автор исследования из Института вычислительной космологии при Университете Дарема (Англия).
Глава 11-5-5
Физики предлагают объяснение различным кривым вращения галактик
Сентябрь 2017
Две галактики, которые на первый взгляд кажутся одинаковыми, могут иметь внутренние области, вращающиеся с различными скоростями. В новом исследовании команда физиков под руководством Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu) из Калифорнийского университета в Риверсайд, США, сообщают, что различные кривые вращения галактик, могут быть естественным образом объяснены, если принять, что частицы темной материи интенсивно взаимодействуют друг с другом во внутреннем гало, рядом с центром галактики – процесс называется самовзаимодействием темной материи. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Каждая галактика находится внутри гало из темной материи, благодаря которому вся материя галактики удерживается в одном месте. Распределение темной материи в этом гало может быть проанализировано при изучении движения звезд и частиц газа в галактике.
В гипотезе холодной темной материи частицы темной материи почти не испытывают столкновений друг с другом, а взаимодействуют лишь посредством гравитации. «Мы привлекли другую гипотезу, модель самовзаимодействующей темной материи (self-interacting dark matter model, SIDM), чтобы показать, что взаимодействия между частицами темной материи разогревают внутреннее гало, в результате чего распределения темной и нормальной материи оказываются связанными друг с другом в единое целое. Тогда расчеты гало с самовзаимодействующей темной материей становятся достаточно гибкими, чтобы объяснить подавляющее большинство наблюдаемых кривых вращения галактик».
astronews.ru, 18 сентября 2017
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=10257
Журнал Physical Review Letters. 2017
Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu) из Калифорнийского университета в Риверсайд, США
Глава 11-5-6
Движение звезд в близлежащей галактике указывает на присутствие темной материи
Ноябрь 2017
Впервые определив перемещения индивидуальных звезд близлежащей карликовой галактики Скульптор, астрономы получили новые данные о распределении невидимой темной материи, пронизывающей нашу Галактику. В этом исследовании были объединены данные о положении звезд, полученные при помощи миссии Европейского космического агентства Gaia («Гея»), с аналогичными данными, собранными при помощи космического телескопа Hubble («Хаббл») двенадцатью годами ранее. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.
Карликовая галактика Скульптор является одной из многочисленных галактик-спутников Млечного пути. Эти галактики-спутники гравитационно взаимодействуют с нашей Галактикой, и такое взаимодействие оказывает значительное влияние на их форму.
В новом исследовании группа ученых, возглавляемая Дэвидом Массари (Davide Massari) из Астрономического института Каптейна, Нидерланды, определила движение звезд галактики Скульптор в трехмерном пространстве, для чего исследователям потребовалось объединить данные измерений соответственно собственного и радиального движения звезд. Собственное движение звезд представляет собой изменение координат звезд на небесной сфере, и для определения скорости этого движения команда Массари проанализировала изменения положения звезд, измеренные соответственно при помощи космического телескопа Hubble в 2002 г. и миссии Gaia в 2014-2015 гг. Скорости радиального движения звезд галактики Скульптор, то есть движения вдоль линии наблюдения, были найдены из литературы. Используя данные по собственному и радиальному движению звезд, ученые смогли восстановить их движение в трех измерениях.
Звезды в галактиках получают ускорение в результате гравитационного воздействия на них со стороны массивных материальных объектов. Однако большой объем данных о распределении скоростей звезд в галактиках, накопленный астрономами за последние десятилетия, показывает, что одной лишь нормальной материи в галактиках содержится недостаточно для объяснения наблюдаемого движения звезд. Это послужило основой для выдвижения предположения о том, что в галактиках присутствует помимо нормальной, видимой материи также особая субстанция, получившая название темной материи, которая не обнаруживается при наблюдениях, но оказывает на объекты галактики гравитационное воздействие.
Проведенный командой Массари анализ скоростей движения звезд галактики Скульптор показал, что темная материя в галактике распределена с увеличением плотности распределения к центру галактики. Это распределение хорошо согласуется с результатами крупномасштабного моделирования распределения темной материи во Вселенной, выполненного на основе стандартного космологического сценария, указывают авторы.
astronews.ru, 29 ноября 2017
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=10435
Журнал Nature Astronomy. 2017
Дэвид Массари (Davide Massari) из Астрономического института Каптейна, Нидерланды
Глава 11-5-7
Звезды разогревают темную материю
Январь 2019
Ученые обнаружили, что темная материя может быть нагрета и приходить в движение в результате формирования звезд в галактиках. Это исследование впервые подтверждает наблюдениями эффект, известный как «нагрев темной материи», и дает новые ключи к пониманию этой таинственной субстанции. В этой новой работе ученые во главе с Джастином Ридом (Justin Read) из Университета Суррея, Великобритания, поставили целью обнаружить свидетельства присутствия темной материи в центрах близлежащих карликовых галактик. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Карликовые галактики – это небольшие, тусклые галактики, которые обычно обращаются вокруг более крупных галактик, таких как Млечный путь. Изучение карликовых галактик может дать ключи к пониманию темной материи. Темная материя, предположительно, составляет большую часть массы Вселенной. Однако, поскольку она не взаимодействует со светом так же, как нормальная материя, присутствие темной материи выявляется лишь по ее гравитационным эффектам. Ключ к ее изучению, тем не менее, может лежать в процессах формирования звезд в галактиках.
Когда в галактике формируются новые звезды, мощные звездные ветра могут отталкивать газ и пыль от центра галактики. В результате в центре галактики остается меньше массы, и гравитационное воздействие на темную материю в этой галактике уменьшается. В результате ослабления гравитационного притяжения темная материя получает дополнительную энергию и мигрирует в стороны от центра галактики – эффект, называемый «разогревом темной материи». Команда Рида измерила количества темной материи в центрах 16 карликовых галактик с различными историями звездообразования. Анализ показал, что галактики, в которых звездообразование прекратилось очень давно, имеют более высокую плотность темной материи в центрах, по сравнению с галактиками, в которых звездообразование происходит до сих пор. Эти наблюдения свидетельствуют в пользу гипотезы, согласно которой в более древних галактиках почти не происходит разогрева темной материи, считают авторы.
AstroNews , 05 января 2019
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20190105222646
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2019
Джастин Рид (Justin Read) из Университета Суррея, Великобритания
Глава 11-5-8
Вращение карликовых галактик не смогли объяснить имеющимися теориями
Декабрь 2019
Ученые не смогли выявить явного лидера среди теорий, предложенных для объяснения разнообразия особенностей вращения карликовых галактик. Оказалось, что все варианты лишь частично справляются с задачей: ни одна из теорий не в состоянии воспроизвести всю полноту наблюдающихся параметров, пишут авторы в препринте на сайте arXiv.org.
Основные видимые компоненты галактик — это звезды и газ, причем по их концентрации можно определить из наблюдений яркости свечения в различных диапазонах спектра. Если предположить, что на это вещество приходится большая часть массы галактики, то из полученного распределения можно теоретически вычислить кривую вращения — зависимость скорости движения звезд по галактическим орбитам в зависимости от расстояния до центра.
В большинстве случаев сделанное таким образом предсказание не сойдется с наблюдениями. Например, в крупных спиральных галактиках, как правило, скорость довольно резко увеличивается недалеко от центра, а затем слабо меняется вплоть до очень больших расстояний. Но исходя из оценки плотности на основе светящегося вещества, должен наблюдаться менее резкий рост, достижение максимума и снижение на окраине.
Для объяснения этого расхождения было предложено несколько теорий. Наиболее популярная на данный момент предполагает существование темной материи. Это вещество не излучает и не поглощает свет, но обладает массой, из-за чего может влиять на движение обычной материи. Для большинства крупных галактик и их скоплений очень простое распределение массы в окружающем их гало из темной материи позволяет привести теорию в соответствие с наблюдениями.
Но для карликовых галактик, у которых наблюдается большее разнообразие форм кривых вращения, зачастую такого сделать не удается. В частности, в таких системах кривые вращения могут расти в центре еще быстрее, чем ожидается при наличии темной материи, или, наоборот, проходить ближе к предсказаниям теории вообще без невидимого компонента Вселенной. В первом случае это указывает на повышенную плотность массы в центре, а во втором — пониженную.
Астрофизики при участии Изабель Сантос-Сантос (Isabel Santos-Santos) из Университета Виктории в Канаде проанализировали имеющиеся теории, которые используются для объяснения кривых вращения карликовых галактик. Авторы разбили их на четыре категории: барионные эффекты (мощные течения из системы или в ее центр), физика темной материи (возможность участия частиц темной материи не только в гравитационном взаимодействии), нестандартные законы ускорения обычной материи (модифицированная гравитация на малых ускорениях) и неточности определения скоростей (возможность преобладания эллиптических, а не круговых орбит в центре).
В результате астрономы пришли к выводу, что ни один из рассмотренных вариантов не способен описать все наблюдательные данные. В то время как большинство теорий могут объяснить отдельные аспекты, хуже всего себя проявили нестандартные законы ускорения: они не могут правильно воспроизвести ключевой параметр — скорость во внутренних регионах галактик. Отдельно авторы пишут, что значительную часть данных удается описать эллиптическими траекториями объектов в центральных частях галактик, но в таком случае требует отдельного объяснения то обстоятельство, что этот эффект значим только в случае галактик с низкой поверхностной яркостью.
nplus1.ru, 3 декабря 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/12/03/dwarf-galaxy-rotation
Сайт arXiv.org
Изабель Сантос-Сантос (Isabel Santos-Santos) из Университета Виктории в Канаде
https://arxiv.org/abs/1911.09116
Часть 11-6
Гало темной материи
Содержание
(том – часть – глава)
11-6-1. Астрономы глубже проникают в тайны гало из темной материи
11-6-2. Обзор неба Dark Energy Survey дает новые сведения о гало темной материи
11-6-3. Dark Energy Survey
11-6-4 Темная материя и массивные галактики
11-6-5. Никаких следов гало темной материи в скоплении Печи
11-6-6. Новые астрономические наблюдения уточнили природу темной материи
Глава 11-6-1
Астрономы глубже проникают в тайны гало из темной материи
Апрель 2017
Исследование, проведенное учеными из Пенсильванского университета, США, может пролить свет на распределение одной из самых таинственных субстанций Вселенной. Статья вышла в журнале Astrophysical Journal.
Темная материя простирается далеко за границы самых далеких звезд галактики, формируя вокруг галактики обширное гало. В новом исследовании Бувнеш Джейн (Bhuvnesh Jain), профессор физики Пенсильванского университета, и его коллега Эрик Бакстер (Eric Baxter) изучили особенности структуры таких гало. Целью исследования было выяснить, имеют ли гало из темной материи четко очерченные границы.
Проанализировав данные, собранные при помощи Слоуновского цифрового обзора неба для скоплений галактик, Джейн и Бакстер смогли показать, что на границе гало из темной материи скопления происходит концентрация вещества, в то время как за его границами наблюдается резкий спад плотности распределения галактик. Эти результаты исследователи связывают с так называемым эффектом «всплеска» (splashback effect), проявляющемся в том, что материя, падающая внутрь гало из темной материи в определенной точке начинает двигаться по орбите, формируя оболочку, более плотную, по сравнению с веществом, находящимся за её пределами.
astronews.ru, 18 апреля 2017
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=9628
Журнал Astrophysical Journal. 2017
Бувнеш Джейн (Bhuvnesh Jain) и Эрик Бакстер (Eric Baxter), Пенсильванский университет,
Глава 11-6-2
Обзор неба Dark Energy Survey дает новые сведения о гало темной материи
Декабрь 2017
Темная материя в галактике простирается далеко за пределы области, в которой находятся звезды, формируя так называемое гало темной материи. В то время как звезды в галактике вращаются в форме правильного диска, частицы темной материи, скорее, напоминают рой пчел, движущихся хаотично в произвольных направлениях, что помогает им пребывать в «раздутом» состоянии и не сближаться под действием гравитации.
Ранее группой ученых, возглавляемой Эриком Бакстером (Eric Baxter), было показано, что гало темной материи, окружающие скопления галактик, имеют резко очерченные края, наличие которых связано с эффектом «разбрызгивания» (splashback effect).
В новой работе команда Бакстера попробовала доказать, что при прохождении внешнего края гало вещество изменяет направление движения и начинает двигаться по орбите, формируя область с повышенной плотностью. Для обнаружения этой области на границе гало темной материи были проанализированы данные, собранные при помощи обзора неба Dark Energy Survey (DES). При этом использовали метод, основанный на использовании гравитационного линзирования. В результате было показано, что некоторое уплотнение материала на границе гало темной материи имеется, однако команда отмечает, что больше уверенности в наличии такого уплотненного слоя можно будет получить после сбора дополнительных данных при помощи обзора неба DES.
Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal.
Astronews, 17 декабря 2017
Глава 11-6-3
Dark Energy Survey
Dark Energy Survey (DES, с англ. — «Обзор тёмной энергии») — это астрономический обзор в видимой и ближней инфракрасной области спектра, целью которого является изучение динамики расширения Вселенной и роста крупномасштабной структуры Вселенной. Проект является результатом сотрудничества исследовательских институтов и университетов из США, Австралии, Бразилии, Великобритании, Германии, Испании и Швейцарии.
Фотографирование неба осуществлялось при помощи 4-метрового телескопа имени Виктора Бланко, расположенного в Межамериканской обсерватории Серро Тололо (CTIO) в Чили. По сравнению с ранее применявшимися инструментами, этот прибор обладает более высокой чувствительностью изображения в красной части видимого спектра и в ближней инфракрасной области.
В ходе обзора было получено изображение 5000 квадратных градусов южного неба в области, которая частично пересекается с областями, являющимися целью обзора, производимого с использованием Южного полярного телескопа и «полосой 82» Слоановского цифрового небесного обзора (по большей части в обход Млечного Пути).
К августу 2019 года на основе данных проекта было опубликовано около 200 научных работ. Основными научными результатами являются:
• точное измерение структуры тёмной материи и её сопоставление с результатами исследований реликтового излучения, позволяющее проследить эволюцию Вселенной;
• открытие нескольких карликовых галактик, являющихся спутниками Млечного Пути;
• создание самой точной карты распределения тёмной материи по Вселенной.
• обнаружение сверхновых в отдалённых галактиках, в том числе самой удалённой от нас из известных сверхновых.
• открытие нескольких малых тел Солнечной Системы.
В январе 2018 года был предоставлен открытый доступ к первой, а в январе 2021 года — ко второй части данных, полученных проектом. В состав выложенного материала входят изображения, каталог астрономических объектов, созданный на их основе, и связанные наборы данных. Каталог содержит данные примерно о 691 миллионе объектов, из которых 543 миллиона классифицированы как галактики, а 145 миллионов — как звёзды. Яркость объектов измерена с точностью до 0,01m, положение с точностью примерно 27 миллисекунд дуги. Это один из крупнейших каталогов астрономических объектов.
Глава 11-6-4
Темная материя и массивные галактики
Март 2020
Присутствие темной материи можно выявить, моделируя высокочувствительные наблюдения распределения галактик на разных космических масштабах. Галактики обычно окружены обширными облаками темной материи, называемыми гало. Гравитация гало галактик, лежащих относительно недалеко от нас, искажает траекторию света, идущего от других, далеких галактик, и этот эффект позволяет подробно описать распределение темной материи во Вселенной. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Слабое линзирование» приводит к умеренному, но систематическому искажению формы галактик, лежащих на заднем плане, и дает возможность наложить надежные ограничения на распределение темной материи в границах скопления галактик. «Сильное линзирование», напротив, приводит к формированию искаженных, увеличенных и часто множественных изображений одиночного источника.
В настоящее время ученые склоняются к тому, что формирование галактик может протекать в один или в два крупных этапа. На первом этапе гравитационный коллапс материи приводит к формированию ядра галактики, окруженного гало из темной материи. Из сгустков материи ядра затем формируются звезды. Формирование более крупных галактик включает еще один, второй этап, в ходе которого галактика, уже обладающая сформировавшимся массивным ядром, дополнительно обогащается новыми порциями материи за счет поглощения близлежащих галактик.
В новом исследовании, проведенном группой во главе с Джошуа Спиглом (Joshua Speagle) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, были проведены наблюдения массивного скопления галактик при помощи телескопа «Субару». Используя эффект слабого гравитационного линзирования, астрономы изучили примерно 3200 галактик массами больше массы Млечного пути. Анализ показал, что информация об истории формирования массивных гало из темной материи закодирована в распределении масс звезд массивных центральных галактик. А для галактик одинаковой массы более обширные галактики имеют в среднем более массивные гало из темной материи. Эти результаты позволяют глубже понять формирование и эволюцию массивных галактик во Вселенной.
astronews.ru, 23 марта 2020
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20200323161514
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2020
Джошуа Спигл (Joshua Speagle) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США
Глава 11-6-5
Никаких следов гало темной материи
Август 2022
Согласно стандартной космологической модели, подавляющее большинство галактик окружено ореолом из частиц темной материи. Это гало невидимо, но его масса оказывает гравитационное влияние на соседние галактики. Новое исследование, проведенное Боннским университетом (Германия) и Университетом Сент-Эндрюс (Шотландия), ставит под сомнение это утверждение. Результаты показывают, что карликовые галактики в скоплении Печи не имеют гало темной материи. Статья появилась в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Мы представляем инновационный способ проверки стандартной модели, основанный на том, насколько карликовые галактики возмущаются гравитационными приливами от ближайших более крупных галактик», — сказала Елена Асенсио, аспирант Боннского университета.
В скоплении Печи находится множество карликовых галактик. Наблюдения показывают, что некоторые из этих карликов кажутся искаженными, как будто они подверглись возмущениям, вызванным окружающей средой скопления.
«Согласно стандартной модели, таких возмущений у карликов Печи не ожидается», — сказал Павел Крупа, профессор Боннского университета. – «Ореолы темной материи этих карликов должны частично защищать их от приливов, создаваемых скоплением».
Авторы проанализировали ожидаемый уровень возмущения карликов, который зависит от их внутренних свойств и расстояния до гравитационно мощного центра скопления. Галактики больших размеров, но с малой звездной массой, и галактики, расположенные близко к центру скопления, легче подвергаются возмущению или разрушению. Они сравнили результаты с наблюдаемым уровнем возмущения, очевидным на фотографиях, сделанных «Очень Большим Телескопом».
«Сравнение показало, что если объяснять наблюдения в рамках стандартной модели, то карлики Печи должны быть уничтожены гравитацией от центра скопления, даже если приливы, вызываемые у карлика, в 64 раза слабее, чем собственная гравитация карлика», - заявила Елена Асенсио. По ее словам, это противоречит предыдущим исследованиям, обнаружившим, что внешняя сила, необходимая для возмущения карликовой галактики, примерно равна собственной гравитации карлика.
Авторы пришли к выводу, что в рамках стандартной модели невозможно самосогласованно объяснить наблюдаемую морфологию карликов созвездия Печи. Они повторили анализ, используя динамику Милгрома (MOND). Вместо предположения о наличии гало темной материи, теория MOND предлагает поправку к ньютоновской динамике, благодаря которой гравитация испытывает усиление в режиме малых ускорений.
«Мы не были уверены, что карликовые галактики смогли бы выжить в экстремальной среде галактического скопления в MOND из-за отсутствия защитных ореолов темной материи в этой модели», - сказал доктор Индранил Баник из Университета Сент-Эндрюса. - «Однако наши результаты показывают прекрасное согласование между наблюдениями и ожиданиями MOND по поводу уровня возмущения карликов Печи».
Это не первый случай, когда исследование, проверяющее влияние темной материи на динамику и эволюцию галактик, пришло к выводу, что наблюдения лучше объясняются, когда они не окружены темной материей.
«Количество публикаций, показывающих несоответствие между наблюдениями и парадигмой темной материи, растет с каждым годом. Пора начать вкладывать больше ресурсов в более перспективные теории», — отметил Павел Крупа.
astronews.ru, 7 августа 2022
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20220807004459
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2022
Павел Крупа, профессор Боннского университета.
Глава 11-6-6
Новые астрономические наблюдения уточнили природу темной материи
Сентябрь 2023
Японские астрономы провели серию наблюдений за излучением аномального квазара, свет от которого преломляется галактической гравитационной линзой. Собранные данные и новый метод их обработки позволили изучить флуктуации распределения темной материи в невиданных ранее деталях. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal.
Понятие темной материи исторически возникло из-за необходимости решения проблемы скрытой массы во Вселенной. Введение этого понятия позволило объяснить различия между теоретическими предсказаниями и астрономическими наблюдениями характера вращения галактик и силы гравитационного линзирования.
Так, если бы во Вселенной существовала только видимая материя, то периферические части галактических дисков вращались бы медленнее наблюдаемого, а гравитационное линзирование далеких объектов в норме было бы заметно слабее. Только предположение о некоей скрытой массе позволяет решить эту загадку. Причем, согласно общепринятой сегодня космологической теории, в наблюдаемой нами части Вселенной этой невидимой материи должно быть в пять раз больше, чем привычной нам барионной.
Поскольку о присутствии темной материи можно узнать только через гравитационные эффекты на масштабах звезд и галактик, астрономам приходится полагаться лишь на случайные «естественные эксперименты», заключающиеся в особом расположении небесных тел.
Одним из таких экспериментов для группы японских астрономов стали квазар MG J0414+0534, чей свет шел до нас 11,2 миллиарда лет, и находящаяся между ним и Землей гравитационная линза. Последняя образована массивной галактикой, а также темной материей вокруг нее.
Вследствие искривления пространства видимая материя галактики и невидимая темная материя создают четыре линзированных изображения далекого квазара. Часто в подобных случаях наблюдаются аномалии в распределении сигнала от разных изображений, приводящих к существенным отклонениям наблюдательных данных от теоретических прогнозов. Эти отклонения обычно объясняют наличием дополнительного небольшого гало темной материи, имеющего умеренную массу и находящегося либо возле основного гало галактики, либо в межгалактическом пространстве.
Различные модели темной материи по-разному описывают и флуктуации в распределении подобных сгустков во Вселенной. Наиболее точно гравитационные эффекты невидимой материи на масштабах более трех миллионов световых лет описывает модель холодной темной материи (CDM). Для более точного и детального описания необходимо выяснить, можно ли введением флуктуирующего распределения темной материи в межгалактическом пространстве объяснить наблюдаемые аномалии в линзирующих изображениях.
Проблема заключается в том, что для оценки масштабов флуктуаций необходимо измерить астрометрические сдвиги сигналов от линзированных изображений, вызванных ими. Обычно это едва уловимые эффекты, которые с уверенностью можно наблюдать лишь в случаях сильного гравитационного линзирования, как в случае MG J0414+0534. Для изучения изображений квазара, созданных массивной галактической линзой, японские исследователи использовали комплекс радиотелескопов ALMA и новый метод анализа данных.
Наблюдения с помощью антенной решетки со сверхдлинной базой (VLBA) позволили ученым разрешить мелкомасштабную структуру флуктуаций межгалактической темной материи с детализацией, позволяющей различать объекты в 30 тысяч световых лет и менее (что, например, втрое меньше ширины Млечного Пути). Новые измерения не только согласуются с предсказаниями CDM, но и позволяют заметно расширить область применимости этой модели.
Авторы работы предположили, что найденные ими с помощью гравилинзирования флуктуации в распределении темной материи объясняются небольшими «субгало» темной материи, которые находятся вне больших галактик. Стоит отметить, что небольшие, компактные источники гравитационного линзирования предлагает и другая модель темной материи, согласно которой она состоит из шаровых скоплений черных дыр.
naked-science, 8 сентября 2023, Даниил Сухинов
https://naked-science.ru/article/astronomy/temnye-galo
The Astrophysical Journal, сентябрь 2023
ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aceb5f
Часть 11-7
Рыхлая темная материя и филаменты
Содержание
(том – часть – глава)
11-7-1. Галактическая нить (филамены)
11-7-2. ALMA обнаружила гнездо молодых галактик в паутине темной материи
11-7-3. Астрономы делают первый «снимок» сети из темной материи, связывающей галактики
11-7-4. Темная материя может оказаться «рыхлой»
11-7-5. Ученые проливают новый свет на темную материю
11-7-6. Филаменты помогут классифицировать темную материю
11-7-7. Возможно, обнаружена «недостающая» материя Вселенной
11-7-8. Исследование столкновения скоплений галактик пролило свет на тайну «потерявшейся» материи
Глава 11-7-1
Галактическая нить (филамены)
Галактическая нить (филамены), волокно (англ. filament — нить, волокно) — крупнейшие наблюдаемые космические структуры во Вселенной в форме нитей из галактик со средней длиной в 50—80 мегапарсек (163—260 млн св. лет), лежащие между войдами (большими пустотами). Нити и войды могут формировать «великие стены» — относительно плоские комплексы скоплений и сверхскоплений. Галактические нити заполнены очень горячим (миллионы и десятки миллионов градусов) и очень разреженным (от 1 до 10 атомов на м3) газом[1].
Возможная природа
По стандартной модели эволюции Вселенной галактические нити формируются и следуют вдоль сетевидных потоков тёмной материи. Предполагается, что эта тёмная материя ответственна за макроструктуру вселенной. Тёмная материя гравитационно притягивает барионную материю, и эту обычную материю астрономы наблюдают в виде стен и нитей из галактических сверхскоплений.
Открытия гиперскоплений — групп сверхскоплений — начались в 1980-х годах. В 1987 году астроном Брент Талли из Гавайского университета идентифицировал структуру, которую он назвал Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита. В 1989 году была обнаружена Великая стена CfA2, а в 2003 году учёные открыли Великую стену Слоуна. В 2013 году были открыты Громадная группа квазаров и Великая стена Геркулес — Северная Корона.
Глава 11-7-2
ALMA обнаружила гнездо молодых галактик в паутине темной материи
Декабрь 2015
Японские астрономы под руководством Хидеки Умехата из Университета Токио обнаружили восемь молодых ярких миллиметровых галактик, расположенных в центре «паутины» из темной материи. В объектах наблюдается всплеск звездообразования — скорость возникновения новых звезд в них в сотни и тысячи раз превышает таковую в современной Вселенной. Работа опубликована в Astrophysical Journal Letters (препринт), кратко о находке сообщает пресс-релиз ALMA.
Авторы исследовали протокластер SSA22 в созвездии Водолея. Для наблюдений ученые использовали телескоп ASTE и, впоследствии, ALMA — Атакамскую большую миллиметровую решетку. Первичные данные, полученные ASTE, показали, что в центре области может находиться огромная галактика, светящаяся в субмиллиметровом диапазоне. Это радиочастотное излучение соответствует тем звездным системам, в которых наблюдается интенсивное звездообразование. Но из-за небольшого разрешения радиотелескопа, определить, ответственна ли за такое свечение одна галактика или несколько было невозможно и астрономы обратились к ALMA. Массив радиотелескопов обладает на порядок большей чувствительностью и в 60 раз большим разрешением.
Исследование области в диапазоне 1,1 миллиметра показало, что внутри протокластера находятся восемь ярких галактик, находящихся на пике звездообразования. Анализ красного смещения для этих объектов показал, что свет от них идет около 11,5 миллиардов лет, к тому же все они расположены в ограниченной области пространства.
Ранние исследования протокластера SSA22 с помощью телескопа Субару показали, что он обладает трехмерной структурой, которую можно объяснить существованием сложной сети из нитей темной материи внутри объекта. Новые обнаруженные галактики, по словам ученых, оказались точно в центре этой сети. Это подтверждает одну из гипотез о формировании ранних массивных галактик со вспышками звездообразования. Согласно ей, подобные системы могут возникать только в условиях высоких концентраций темной материи.
Подтвердить эту гипотезу ранее было очень сложно — как правило, такие галактики окружены большими количествами пыли, которая поглощает большую долю видимого излучения. Радиотелескопы же, как правило, не способны различить столь удаленные объекты, — не хватает разрешения приборов.
nplus1, 7 декабря 2015, Владимир Королёв
https://nplus1.ru/news/2015/12/07/alma-monstrous-galaxies
Astrophysical Journal Letters Декабрь 2015
Хидеки Умехата из Университета Токио
http://arxiv.org/abs/1510.08861
Глава 11-7-3
Астрономы делают первый «снимок» сети из темной материи, связывающей галактики
Апрель 2017
Комбинированное изображение, которое представляет собой объединение большого числа индивидуальных снимков, подтверждает предсказания о том, что галактики во Вселенной связаны воедино при помощи паутины из темной материи, которая до настоящего времени оставалась недоступной наблюдениям. Работа вышла в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«В течение нескольких десятилетий астрономы предсказывали существование нитей из темной материи между галактиками, которые действуют подобно паутинообразной сверхструктуре, связывающей воедино галактики», - сказал Майк Хадсон (Mike Hudson), профессор астрономии Университета Ватерлоо. – Этот снимок позволяет нам продвинуться на шаг дальше в изучении свойств темной материи – теперь мы не только прогнозируем существование этих волокон, но мы можем наблюдать их и измерять их параметры».
В своем исследовании Хадсон и его коллеги использовали метод, называемый слабым гравитационным линзированием. Этот метод основан на эффекте слабого искажения изображений далеких галактик под действием невидимых концентраций массы, таких как планета, черная дыра или, как в настоящем случае, темная материя. Этот эффект был измерен в рамках обзора неба проводимого в течение многих лет при помощи телескопа Канада-Франция-Гавайи.
Ученые объединили линзированные изображения более чем 23000 пар галактик, расположенных на расстоянии 4,5 миллиарда световых лет от нас, для создания комбинированного изображения, или карты, которая демонстрирует присутствие темной материи между двумя галактиками. Эти результаты показывают, что «мостик» из темной материи является наиболее прочным между системами, находящимися на расстоянии менее 40 миллионов световых лет друг от друга.
astronews.ru
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=9613
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2017
Майк Хадсон (Mike Hudson), профессор астрономии Университета Ватерлоо.
Глава 11-7-4
Темная материя может оказаться «рыхлой»
Апрель 2017
Астрономы использовали рентгеновскую космическую обсерваторию НАСА «Чандра» (Chandra) для изучения свойств темной материи, таинственной невидимой субстанции, на которую приходится большая часть материи Вселенной. В этом исследовании, объектами которого являются 13 скоплений галактик, анализируется возможность того, что темная материя может оказаться, скорее, «рыхлой», чем «холодной» - что вносит дополнительную сумятицу в представления о темной материи, которые и без этого не отличаются особой ясностью. ИсследованиевышловжурналеMonthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Наиболее популярной моделью темной материи является так называемая модель «холодной темной материи», согласно которой темная материя состоит из частиц массой не меньше массы протона. Это означает, что частицы темной материи движутся со скоростями намного меньше скорости света. Эта модель хорошо объясняет крупномасштабную структуру Вселенной, однако сталкивается с трудностями при объяснении распределения материи в пределах отдельной галактики.
В модели холодной темной материи плотность нормальной материи в ядре должна быть намного больше, чем наблюдаемая. Альтернативой модели холодной темной материи является модель, в которой частицы темной материи имеют крохотную массу и, проявляя волновые свойства, присущие всем частицам, формируют волны с длиной от пика до пика порядка 3000 световых лет, то есть в масштабе галактики. Так как нормальная материя притягивается к темной материи, распределение нормальной материи будет повторять распределение частиц темной материи.
В новой работе группа исследователей во главе с Тулой Бернал (Tula Bernal) из Национального политехнического института Мексики приводит свидетельства в пользу второй из этих гипотез. Согласно исследователям гипотеза «рыхлой» темной материи плохо согласуется с наблюдательными данными в том случае, если считать что её частицы находятся в «основном» состоянии, однако если предположить, что энергия некоторых из этих частиц отличается от энергии других частиц – то есть, если частицы «возбуждены» - то отмечается хорошее согласие с наблюдениями.
astronews.ru, 30 апреля 2017
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Тула Бернал (Tula Bernal) из Национального политехнического института Мексики
Глава 11-7-5
Ученые проливают новый свет на темную материю
Июль 2017
В новой работе исследователи проанализировали взаимодействие «космической паутины» - протянувшейся по всей Вселенной сети из филаментов, в состав которых входят газ и темная материя – со светом, идущим со стороны очень далеких галактик и квазаров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Фотоны, взаимодействующие с водородом, находящимся в космических филаментах, формируют множественные линии поглощения, известные как «лес Лайман-альфа». Это взаимодействие позволяет открыть несколько важных свойств темной материи. Полученные результаты свидетельствуют в пользу модели Холодной темной материи, в соответствии с которой темная материя состоит из очень медленно движущихся частиц. И эти результаты демонстрируют несоответствие с альтернативной моделью – моделью Рыхлой темной материи, в которой частицы имеют существенно более высокую скорость.
Команда астрономов во главе с Видом Ирсиком (Vid Iršič) провела анализ распределения темной материи во Вселенной на основе данных наблюдения лайман-альфа излучения далеких галактик, полученных при помощи телескопа им. Кека, Гавайи, и обсерватории Very Large Telescope, Чили. Сравнение этих данных с результатами моделирования спектров показало хорошее соответствие между расчетами и наблюдательными данными для гипотезы Холодной темной материи.
astronews.ru, 24июля 2017
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news..
Журнал Physical Review Letters.
Вид Ирсик (Vid Iršič)
Глава 11-7-6
Филаменты помогут классифицировать темную материю
Октябрь 2019
Астрофизики предложили различать холодную, теплую и размытую темную материю по структуре филаментов — галактических нитей, которые образуются в молодой Вселенной. По словам ученых, увидеть эту структуру может космический инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб», который заработает в 2021 году. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
К сожалению, несмотря на множество эффектов, которые неявно указывают на существование темной материи, физики до сих пор не знают, из чего она состоит. До последнего времени преобладающим кандидатом были тяжелые вимпы — их предсказывал целый ряд теорий, они отлично вписывались в модель ΛCDM, построить детекторы для их поиска было проще всего. Однако неудачи детекторов, которые упорно не хотят видеть вимпы, заставили физиков обратиться к более экзотическим моделям. Наравне с моделью холодной темной материи (cold dark matter, CDM) сейчас физики рассматривают теплую (warm dark matter, WDM) и размытую (fuzzy dark matter, FDM) темную материю. Частицы, составляющую теплую темную материю, на несколько порядков быстрее и легче вимпов (характерная масса находится на уровне килоэлектронвольт). Масса частиц размытой темной материи еще меньше (вплоть до 10−22 электронвольт), так что длина их волны сравнима с размером галактики. К сожалению, пока что проверить модели WDM и FDM не удалось.
Группа исследователей под руководством Филипа Моча (Philip Mocz) предложила отличать эти теории по структуре филаментов (галактических нитей). Чтобы увидеть отличия, ученые численно смоделировали эволюцию Вселенной, в которой исходная плотность темной материи с небольшой амплитудой колебалась около среднего значения. Характерный размер области, которую моделировали ученые, составлял 1,7 мегапарсека.
Во всех трех случаях (CDM, WDM и FDM) темная материя собиралась в филаменты, однако структура филаментов получилась разной. Холодная темная материя быстро распадалась на отдельные сгустки, которые можно интерпретировать как зародыши галактик. В модели WDM такие сгустки тоже появлялись, хотя и были выражены менее явно. Наконец, в модели FDM пространство между скоплениями было заполнено интерференционным узором, образованным областями с низкой и высокой плотностью материи. Внутри же скоплений волны размытой темной материи в целом воспроизводили динамику частиц холодной и теплой материи. Впрочем, плотность таких «скоплений» в среднем оказывалась значительно меньше, чем плотность скоплений в моделях CDM и WDM.
Рис. Структура филаментов, образованных холодной (верхний ряд), теплой (средний ряд) и пушистой (нижний ряд) темной материей
Philip Mocz et al. / Physical Review Letters, 2019
Авторы статьи подчеркивают, что в рассмотренных моделях давлением межзвездного газа можно пренебречь, поэтому при добавлении обычной материи результаты моделирования не изменятся. Обычная материя будет просто выстраиваться вдоль образованных «темных» структур. Это значит, что по изображениям галактик теоретически можно восстановить природу темной материи, ответственной за их формирование. Правда, разрешающей способности существующих телескопов для этого не хватит.
nplus1.ru, 4 октября 2019, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2019/10/04/fuzzy-filaments
Журнал Physical Review Letters, 2019
Филип Моч (Philip Mocz)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.141301
Глава 11-7-7
Возможно, обнаружена «недостающая» материя Вселенной
Ноябрь 2020
Астрофизики считают, что примерно 40 процентов от количества обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и галактики, остается необнаруженной, скрытой от наблюдений в форме горячего газа, образующего замысловатые очертания «космической паутины». Сегодня ученые из Института космической астрофизики (Национальный центр научных исследований Франции / Университет Париж-Сакле), Орсей, Франция, возможно, впервые смогли обнаружить эту недостающую материю в результате применения нового метода статистического анализа к набору данных, собранному 20 лет назад. Работа опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.
Галактики распределены по Вселенной в форме сложной сети из узлов, связанных между собой при помощи нитей, называемых филаментами, которые, в свою очередь, перемежаются пустотами. Эта структура известна как «космическая паутина». Филаменты, предположительно, содержат почти всю обычную (также называемую барионной) материю Вселенной в форме разреженного, горячего газа. Однако сигнал, испускаемый этим диффузным газом, является настолько слабым, что в действительности от 40 до 50 процентов барионов остаются незамеченными.
Эти барионы считаются «недостающими», и именно их поискам посвящена новая научная работа, выполненная коллективом ученых во главе с Хидеки Танимурой (Hideki Tanimura), исследователем-постдоком из Института космической астрофизики. В своей работе Танимура и коллеги представляют статистический анализ, впервые выявляющий рентгеновское излучение со стороны горячих барионов, входящих в состав газа филаментов.
Это обнаружение основано на суммировании рентгеновского излучения, зарегистрированного при помощи обзора неба ROSAT2 со стороны примерно 15 000 гигантских космических филаментов, идентифицированных в ходе обзора галактик SDSS3. Команда произвела пространственное сопоставление между положением филаментов и связанным с ними рентгеновским излучением, чтобы доказать наличие горячего газа в космической паутине и впервые измерить его температуру.
Эти находки подтверждают результаты предыдущих расчетов команды Танимуры, свидетельствующих о непрямом обнаружении горячего газа в космической паутине через анализ его влияния на реликтовое излучение. Работа делает возможными дальнейшие подробные исследования эволюции газа в структуре филаментов космической паутины, для которых могут быть использованы более качественные данные.
astronews.ru 7 ноября 2020
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20201107085529
Журнал Astronomy & Astrophysics. 2020
Хидеки Танимурой (Hideki Tanimura), исследователь-постдок из Института космической астрофизики.
Глава 11-7-8
Исследование столкновения скоплений галактик пролило свет на тайну «потерявшейся» материи
Октябрь 2022
Хотя ученым многое известно о составе Вселенной, существует досадная проблема, которую они пока не могут объяснить – пропавшая материя. Это отдельная загадка, где находится около трети «нормальной» материи, которая состоит из водорода, гелия и других элементов и образует такие объекты, как звезды и планеты. Ее еще предстоит обнаружить с помощью наблюдений за локальной Вселенной, то есть в регионах менее чем в нескольких миллиардах световых лет от Земли. Статья, описывающая исследование, была опубликована в Astrophysical Journal Letters.
Ученые предположили, что, по крайней мере, часть этой недостающей массы может быть скрыта в гигантских нитях теплого и горячего газа с температурой от 10 000 до 10 000 000 К, находящегося в пространстве между галактиками и скоплениями галактик. Ученые назвали это явление «тепло-горячей межгалактической средой» (warm-hot intergalactic medium, WHIM).
Команда астрономов, использующих обсерваторию Chandra для наблюдения за системой сталкивающихся скоплений галактик, обнаружила доказательства существования WHIM.
Исследователи использовали Chandra для изучения объекта Abell 98, который содержит два сталкивающихся скопления галактик. Abell 98 находится на расстоянии около 1,4 миллиарда световых лет от Земли.
Данные Chandra показывают мост рентгеновского излучения между двумя сталкивающимися кластерами, содержащими газы с температурой от 10 до 20 миллионов К. Более горячий газ, вероятно, происходит от газа в двух скоплениях, перекрывающих друг друга. Температура и плотность более холодного газа согласуются с прогнозами для самого горячего и плотного газа в WHIM.
Кроме того, данные Chandra показывают наличие ударной волны, которая движется перед одним из скоплений. Впервые астрономы обнаружили такую ударную волну на ранних стадиях столкновения.
Волна может быть напрямую связана с открытием WHIM в Abell 98, потому что именно она нагрела газ между скоплениями. Это могло поднять температуру газа в нити WHIM настолько, что ее получилось обнаружить с помощью Chandra.
«Когда сталкиваются скопления галактик, у нас появляется возможность увидеть экстремальную физику, которую мы редко наблюдаем в любой другой космической обстановке», — сообщили ученые.
astronews.ru, 17 октября 2022
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20221014210703
Журнал Astrophysical Journal Letters. 2022
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac86d4
https://arxiv.org/abs/2206.08430
Часть 11-8
Взаимодействие тм с нормальной материей
Содержание
(том – часть – глава)
11-8-1. Космологи заметили признаки взаимодействия тёмной материи с обычной
11-8-2. Следы темной материи предложили искать в эргосфере черных дыр
11-8-3. Неожиданное взаимодействие между темной и нормальной материей
11-8-4. О взаимодействии темной материи с нормальной материей
Окраины скопления Персея
11-8-5. Нечто: на Земле поймали сигнал от темной материи
11-8-6. Связь темной материи и нейтрино не подтвердилась
Глава 11-8-1
Космологи заметили признаки взаимодействия тёмной материи с обычной
Апрель 2015
Международная группа учёных во главе с исследователями из университета Дарема в Великобритании использовали космическую обсерваторию "Хаббл" и "Очень большой телескоп" Европейской южной обсерватории (VLT ESO) для наблюдения за одновременным столкновением четырёх далеких галактик в центре скопления, удалённого на 1,3 миллиарда световых лет от Земли.
Как сообщают авторы исследования в статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, одно небольшое скопление тёмной материи, кажется, немного отстаёт от галактики, которую оно окружает. Согласно расчётам, смещение сгустка тёмной материи относительно её галактики составляет около 5000 световых лет.
Подобные смещения теоретики прогнозировали в тех случаях, когда тёмная материя при столкновениях галактик взаимодействует с обычной материей как-то иначе, чем гравитационно. Компьютерное моделирование показывает, что дополнительное трение при столкновении замедлило бы движение тёмной материи, в результате чего возникло бы наблюдаемое смещение.
Общепринятые теории гласят, что все галактики окружены скоплениями тёмной материи (в том числе Млечный Путь). Поэтому наблюдения за столкновениями галактик являются идеальным способом изучения природы тёмной материи.
"Мы привыкли думать, что тёмная материя окружает галактики и почти никак не взаимодействует с веществом, из которого они состоят. Однако наши наблюдения показывают, что некое пусть и очень незначительное взаимодействие между тёмной и обычной материями всё-таки присутствует. А значит, тёмная материя может быть не такой уж и тёмной", — поясняет ведущий автор исследования Ричард Мэсси (Richard Massey) из Института вычислительной космологии при университете Дарема.
В настоящее время учёные проводят компьютерное моделирование, чтобы подтвердить свою гипотезу, согласно которой наблюдаемое смещение вызвано взаимодействием тёмной материи с обычной.
Ранее доктор Мэсси и его коллеги представляли результаты своих исследований, демонстрирующих, что тёмная материя незначительно взаимодействует с обычной при 72 столкновениях скоплений галактик, в каждой из которых содержится до тысячи отдельных звёздных систем. Новое исследование этой же команды изучает движения отдельных галактик и выявляет конкретные примеры негравитационного взаимодействия тёмной материи с обычной.
amic.ru, 16 апреля 2015,
https://www.amic.ru/news/nauka-i-obrazovanie/kosmologi-zametili-priznaki-vzaimodeystviya-temnoy-materii-s-obychnoy-303366
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Ричард Мэсси (Richard Massey) из Института вычислительной космологии при университете Дарема.
Глава 11-8-2
Следы темной материи предложили искать в эргосфере черных дыр
Июнь 2015
Джереми Шниттман (Jeremy Schnittman) из Центра управления полетами им. Годдарда (NASA) подверг пересмотру существующие представления о результатах взаимных столкновений частиц темной материи в окрестностях черных дыр и пришел к выводу, что побочные продукты этих столкновений могут быть обнаружены астрономами. Потенциально это позволяет косвенно зарегистрировать существование частиц темной материи. Статья опубликована в The Astrophysical Journal, а с ее препринтом можно ознакомиться на arXiv.org.
В 2009 году группа ученых во главе с Максимо Баньядосом (Máximo Bañados) выдвинула гипотезу, согласно которой черная дыра может разогнать находящиеся рядом частицы темной материи, передав им часть своей энергии вращения через механизм Пенроуза. В итоге черная дыра слегка замедлит свое вращение, но для частиц темной материи сыграет роль мощного ускорителя. Поскольку вимпы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, объекты, подобные черным дырам, являются единственными, способными сыграть роль ускорителей для таких частиц. Тем не менее, в ряде работ значимость эффекта Баньядоса-Силка-Уэста была поставлена под сомнение.
Джереми Шниттман попытался рассмотреть процесс разгона частиц темной материи близ черных дыр более детально. По расчетам автора, для части из них механизм Пенроуза будет работать намного эффективнее, чем считалось ранее. Шниттман обнаружил, что гамма-лучи от аннигиляции «вимпов» по своей энергии могут быть в 14 раз больше, чем исходные частицы. Более ранние модели, учитывавшие одновременный разгон в эргосфере лишь небольшого количества частиц, показывали, что гамма-лучи по своей энергии могут превзойти исходные частицы лишь на 30 процентов. Иными словами, существует вероятность того, что аннигиляции вимпов дадут гамма-излучение, которое отразится на спектре гамма-фотонов, исходящих от черной дыры.
Как констатирует Шниттман, повышению вероятности обнаружения следов аннигиляции вимпов способствует и релятивистское замедление времени близ черной дыры. С точки зрения удаленного наблюдателя, частицы, падающие на горизонт событий дыры, сначала ускоряются, но по мере приближения к горизонту замедляются. Поэтому наблюдаемая вблизи него плотность частиц вимпов должна повышаться.
Кроме того, в ряде моделей, описывающих вимпы, их эффективное сечение столкновения после достижения определенного уровня энергий (за счет разгона черной дырой) может скачкообразно увеличиваться. Из-за всего этого вероятность аннигиляции разогнанных частиц темной материи при столкновениях близ черной дыры будет намного выше, чем в любых других районах Вселенной. Как комментирует Шниттман, если в норме столкновение и аннигиляция двух вимпов также маловероятны, как столкновение двух пуль в перестрелке, то в окрестностях черных дыр таких «пуль» должно быть так много, что периодически они просто обязаны сталкиваться, порождая гамма-лучи высоких энергий.
Согласно расчетам, их т можно будет зарегистрировать с помощью гамма-телескопов. Правда, «увидеть» удастся лишь часть гамма-лучей – те, что образуются с того края черной дыры, который вращается по направлению к земному наблюдателю. Особенно сильным свечение будет по центру такого края, соответствующему экватору черной дыры. Другой ее край, вращающийся в направлении от нас, будет испускать гамма-лучи от аннигиляции частиц в другую сторону. Следя за черными дырами с помощью достаточно эффективных гамма-телескопов, земной наблюдатель должен увидеть асимметричное свечение в гамма-диапазоне.
nplus1.ru, 24 июня15, Александр Березин
https://nplus1.ru/news/2015/06/24/an
The Astrophysical Journal, 2015
Джереми Шниттман (Jeremy Schnittman) из Центра управления полетами им. Годдарда (NASA)
http://arxiv.org/pdf/1506.06728v1.pdf
Глава 11-8-3
Неожиданное взаимодействие между темной и нормальной материей
Декабрь 2016
Статистический анализ спиральных мини-галактик открыл неожиданное взаимодействие между темной и нормальной материей. Согласно новому исследованию, в котором указывается на статистическую значимость данного отношения и невозможность объяснения его в рамках Стандартной модели, такие космические объекты могут служить «порталами» в новую физику, способную объяснить такие явления как темная материя и темная энергия. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Они напоминают нашу спиральную галактику, однако примерно в десять тысяч раз меньше её по размерам: спиральные мини-галактики, изученные научной командой под руководством Паоло Салуччи (Paolo Salucci), профессора Международной школы перспективных исследований (International School for Advanced Studies, SISSA), Италия, могут «открыть окно в новую физику, простирающуюся далеко за границы Стандартной модели и способную объяснить темную материю и темную энергию», как сказал Салуччи.
Согласно этому исследованию для наблюдаемых спиральных мини-галактик наблюдается зависимость между структурой обычной материи и темной материи. «Если для данной массы нормальная материя в галактике плотно упакована, то же самое можно сказать и о находящейся в ней темной материи. Если нормальная материя распределена по галактике равномерно, то за ней следует и темная материя», объясняет Салуччи.
Согласно авторам работы этот эффект не может быть объяснен в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, а достоверность его наличия подтверждается большим числом проявлений: в исследовании было изучено 36 галактик – число, вполне достаточное для статистического исследования.
Astronews.ru, 16 декабря 2016
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2016
Паоло Салуччи (Paolo Salucci), профессор Международной школы перспективных исследований (International School for Advanced Studies, SISSA), Италия
Глава 11-8-4
О взаимодействии темной материи с нормальной материей
Июль 2018
Международная команда ученых наложила новые ограничения на взаимодействие между темной материей и нормальной материей – ограничения, которые могут помочь идентифицировать неуловимые частицы темной материи.
По определению темной материи, ее частицы не взаимодействуют с нормальной материей только гравитационно, но взаимодействуют ли гипотетические частицы темной материи между собой? В настоящее время одними из наиболее вероятных кандидатов на роль частиц темной материи являются так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (ВИМПы).
В соответствующей теории частица, посредством которой осуществляется взаимодействие ВИМПов темной материи с частицами нормальной материи должна иметь массу порядка 100-1000 масс частицы темной материи, однако астрофизические наблюдения не подтверждают этого теоретического вывода, рассказал главный автор нового исследования (Hai-Bo Yu) из Калифорнийского университета в Риверсайд, США.
Ю и его команда придерживаются альтернативной точки зрения, называемой теорией самовзаимодействующей темной материи. Согласно этой теории, частица-медиатор имеет массу всего лишь порядка 0,001 массы частицы темной материи – и эти данные подтверждаются астрофизическими наблюдениями на масштабах от карликовых галактик до скоплений галактик, рассказывает Ю.
В своей новой работе Ю и его коллеги налагают новые, строгие ограничения на силу взаимодействия между темной материей и видимой материей, осуществляемого при помощи легкой частицы-медиатора. Эти результаты помогут подтвердить справедливость положений теории самовзаимодействующей темной материи, когда будет обнаружена частица темной материи в ходе экспериментов с жидким ксеноном под названием PandaX-II, анализом данных которых в настоящее время занимается команда Ю.
Astronews.ru, 16.07.2018
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=11070
Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu) из Калифорнийского университета в Риверсайд, США.
Глава 11-8-5
Нечто: на Земле поймали сигнал от темной материи
Декабрь 2017
В 2014 году научная группа во главе с Эзрой Булбуль (Esra Bulbul) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже обнаружила странное явление. В рентгеновском излучении скопления галактик, известного как скопление Персея, наблюдалась спектральная линия излучения с энергией 3,5 килоэлектронвольт. Результат был получен с помощью инструментов телескопов XMM-Newton и Chandra. Та же линия обнаружилась в излучении 73 других скоплений галактик, зарегистрированном телескопом XMM-Newton.
Буквально через неделю после публикации этого результата другая группа во главе с Алексеем Боярским (Alexey Boyarsky) из Лейденского университета в Нидерландах сообщила о наблюдении этой же линии в излучении галактики M31 и окраины скопления Персея на том же инструменте XMM-Newton.
Ни один известный астрофизический процесс не приводит к образованию такой линии. Поэтому астрономы предположили, что имеют дело с излучением загадочной тёмной материи.
Многие астрономы пытались повторить эти наблюдения, но загадочная линия то обнаруживалась, то нет. Это заставляло скептиков предположить, что учёные столкнулись с ошибкой в работе инструмента или в обработке данных.
В 2016 году новый японский телескоп Hitomi, специально предназначенный для наблюдения рентгеновских спектральных линий, не смог обнаружить линию 3,5 килоэлектронвольт в излучении скопления Персея. Однако команда Конлона обратила внимание, что изображения, даваемые "Хитоми", гораздо менее чёткие, чем у "Чандры". Поэтому в изображении скопления Персея смешивался сигнал от двух источников: излучение горячего газа, расположенного вокруг массивной галактики в центре кластера, и свет, исходящий из окрестностей сверхмассивной чёрной дыры в центре самой этой галактики.
Более чёткие изображения "Чандры" позволяют различить вклад этих источников. Воспользовавшись этим, авторы смогли отдельно проанализировать вклад чёрной дыры и излучение горячего газа. Имея на руках ранние наблюдения "Чандры", сделанные ещё в 2009 году, они обнаружили удивительное: спектральная линия 3,5 килоэлектронвольт наблюдалась, но в рентгеновских лучах, испущенных газом, это была линия излучения, а в излучении чёрной дыры – линия поглощения! Как выяснилось, телескоп Hitomi смешал вклад от двух источников, в итоге линии компенсировали друг друга и поэтому не наблюдались. Исследователи проверили это, выполнив соответствующие вычисления.
Но, чтобы воспроизвести только что описанную картину, нам требуется предположить, что в облаке горячего газа вокруг галактики присутствует нечто, что поглощает кванты именно этой энергии, а потом переизлучает их. И, как уже говорилось выше, обычное вещество этого сделать просто не в состоянии!
Значит, всё-таки тёмная материя? Конлон и его коллеги считают именно так. Они даже разработали собственную модель этой загадочной субстанции, воспроизводящую такое поведение. Впрочем, вариант ошибки авторы пока не сбрасывают со счетов. Окончательно прояснить вопрос должны последующие исследования.
smotrim.ru, 20 декабря 2017, Анатолий Глянцев
https://smotrim.ru/article/1047318
Сайт препринтов arXiv.org.
Джозеф Конлон (Joseph P. Conlon) из Оксфордского университета
https://arxiv.org/abs/1608.01684
Глава 11-8-6
Связь темной материи и нейтрино не подтвердилась
Март 2020
Новые данные вывели стерильное нейтрино из списка кандидатов на роль частиц загадочной темной материи. Статья, опубликована в журнале Science
Большая часть массы космоса составляет темная материя. Невидимая ни в один телескоп, она проявляется лишь гравитационным влиянием на звезды, газовые облака и другие объекты, состоящие из обычных элементарных частиц. Темная материя удерживает вместе галактики, но из каких частиц сложена она сама, до сих пор не известно. Различные теоретические модели дают разные предсказания, и подтвердить какое-либо из них пока не удается. Одним из таких кандидатов выступает особый четвертый тип нейтрино — стерильное.
Тогда его неуловимость вполне понятна: вспомним, что нейтрино практически не взаимодействует с обычной материей и свободно пролетает сквозь наши тела, сквозь Землю и Солнце. Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр их пролетают десятки миллионов, однако даже специальным нейтринным обсерваториям, заполненным десятками тысяч тонн сверхчистой воды, удается зарегистрировать лишь несколько частиц за год.
О возможной связи между стерильным нейтрино и темной материей особенно активно заговорили в последние годы, когда наблюдения космических рентгеновских телескопов XMM-Newton и Chandra обнаружили, что соседние скопления галактик испускают фотоны с энергиями 3,5 КэВ. Теоретически их могут создавать стерильные нейтрино массой 7,1 КэВ: превращаясь в нейтрино других сортов в процессе осцилляций, они должны испускать рентгеновский фотон.
Новой проверке эта гипотеза подверглась в работе Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) и его коллег из Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Беркли. В новой статье, опубликованной в журнале Science, они снова обратились к данным зонда XMM-Newton. Однако на этот раз, вместо того чтобы анализировать излучение далеких звезд и галактик, астрономы сконцентрировались на излучении пустых участков между ними.
Идея состояла в том, что если стерильные нейтрино — и есть темная материя, то они заполняют нашу Галактику даже там, где нет никаких звезд. Поэтому фотоны на 3,5 Кэ*В, образованные распадом частиц «темного гало», должны регистрироваться и в пустотах. Однако изучение более чем 4000 снимков, полученных XMM-Newton начиная с 1999 года, ничего не дало. Возможно, эти частицы в далеких галактиках создаются не стерильными нейтрино, а вполне обычными частицами, в ходе пока не установленных процессов.
Сторонники «гипотезы стерильного нейтрино» не согласны с такими выводами — да и с результатами команды Сафди. Так, Алексей Боярский из Лейденского университета сообщил, что аналогичную работу с «пустотами» провела его группа, действительно зарегистрировав ожидаемый поток фотонов с энергиями 3,5 Кэ*В. Разные подходы к обработке данных дали совершенно разные результаты — и дискуссия вокруг стерильных нейтрино еще, видимо, далека от завершения.
naked-science.ru, 27 марта 2020, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/svyaz-temnoj-materii-i-nejtrino-ne-podtverdilas
Журнал Science, 2020
Бенджамин Сафди (Benjamin Safdi) и др. Мичиганский университет и Калифорнийский университет в Беркли.
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aaw3772
Часть 11-9
NGC 1052-DF2 и другие галактики без темной материи
Содержание
(том – часть – глава)
11-9-1. Обнаружена галактика без темной материи
NGC 1052-DF2
11-9-2. Найдена вторая галактика без темной материи
NGC 1052-DF4
11-9-3. Астрономы разгадали тайну галактики, в которой, как предполагалось, нет темной материи
11-9-4. Новая модель темной материи объяснила ее нехватку в паре далеких галактик
NGC 1052-DF2 и 4
11-9-5. Нехватку темной материи в далекой галактике объяснили влиянием массивной соседки
NGC 1052-DF2 и 4
11-9-6. Данные, собранные «Хабблом», подтверждают недостаток темной материи в галактиках
NGC 1052-DF2 и 4
11-9-7. Древнее столкновение оставило цепочку галактик без темной материи
Глава 11-9-1
Обнаружена галактика без темной материи
Март 2018
Считается, что темная материя доминирует во всех галактиках и больших скоплениях, однако астрономы обнаружили галактику, целиком состоящую из обычных звезд. Статья опубликована в журнале Nature
В нашем мире темной материи в разы больше обычной, из которой сложены звезды, планеты и мы сами. Считается, что она играет определяющую роль в образовании и эволюции крупномасштабных структур Вселенной, галактик и их скоплений. Здесь ее гравитация доминирует, определяя жизнь газовых облаков и звезд. Более того, предполагают существование «темных галактик», вовсе лишенных обычного вещества и звезд. Известны и кандидаты: к примеру, галактика Dragonfly 44, открытая три года назад, состоит из темной материи на 99,99 процента.
Тем неожиданней недавняя находка астрономов из Йельского университета, о которой они сообщают в журнале Nature: галактика, практически лишенная темной материи. Наблюдать NGC 1052-DF2 удалось с помощью телескопа Dragonfly Telephoto Array, сконструированного профессором Питером ван Доккумом (Pieter van Dokkum) совместно с коллегами из Канады. Даже внешне она выделяется на общем фоне. По словам ученых, впервые рассмотревших все детали структуры, она «прозрачна» и выглядит как крайне разреженное небольшое скопление, в котором изредка встречаются компактные немногочисленные группы звезд.
Более мощные телескопы гавайской обсерватории W. M. Keck позволили установить скорости движения десятка таких скоплений в NGC 1052-DF2. Они также оказались в несколько раз меньше обычной — менее 10 км/с. Наконец, астрономы оценили массу галактики, практически совпавшую с массой всех ее звезд: «Если там и есть темная материя, то ее крайне мало», — объясняет Ван Доккум.
Ученый добавляет: «Эта невидимая таинственная материя является важнейшим компонентом любой галактики. Было крайне неожиданно найти галактику без нее. Это заставляет заново взглянуть на обычные представления об устройстве галактик и показывает, что темная материя реальна. Она ведет собственное существование. Можно предположить, что существует не только один механизм формирования галактик».
Naked Science, 29 марта 2018
https://naked-science.ru/article/sci/obnaruzhena-galaktika-bez-temnoy
Журнал Nature, 2018
Питер Ван Доккум (Pieter van Dokkum) из Йельского университета
https://www.nature.com/articles/nature25767
Глава 11-9-2
Найдена вторая галактика без темной материи
Март 2019
Астрономы подтвердили почти полное отсутствие темной материи в галактике NGC 1052-DF2 и нашли рядом с ней похожую — NGC 1052-DF4. Данные по скоростям звезд в этих объектах полностью согласуются с распределением видимого вещества и несовместимы с наличием темной материи. Таким образом, ученые убедились в существовании нового класса необычных галактик, свойства которых пока не находят объяснения, а также неочевидным образом подтверили существование темной материи. Результаты изложены в отдельных статьях в The Astrophysical Journal Letters.
В 2018 году астрономы при помощи космического телескопа «Хаббл» и наземной обсерватории Кека нашли необычную сразу по нескольким параметрам галактику NGC 1052-DF2. Во-первых, она относится к достаточно редкому типу ультрадиффузных галактик, которые по размеру сравнимы с Млечным Путем, но содержат примерно в 100 или 1000 раз меньше звезд, что делает их поверхностную яркость исключительно низкой. Во-вторых, у этой галактики оказалось необычное распределение объектов, похожих на шаровые звездные скопления. Такие плотные и яркие группы тысяч звезд хорошо известны как в Млечном Пути, так и у наших ближайших соседей. Их функция светимости, то есть зависимость количества от яркости, считалась универсальной, однако для NGC 1052-DF2 это оказалось не так. В-третьих, измерив скорости движения 10 таких объектов, ученые оценили по ним дисперсию скоростей, которая оказалась исключительно мала — около 8 километров в секунду с ошибками порядка 50 процентов при ожидаемой дисперсии в присутствии гало из темной материи порядка 30 километров в секунду.
В новой работе ученые описывают результаты дополнительных наблюдений, которые позволили сделать более надежные оценки дисперсии скоростей на основе движений звезд. В результате астрономы получили значение 8,5 километра в секунду с заметно меньшими ошибками (порядка 30 процентов). Из этих данных следует, что полная масса галактики примерно равна массе светящегося вещества, что исключает необходимость введения темной материи в данном случае. Также ученые обнаружили рядом похожую галактику NGC 1052-DF4, у которой также оказалась экстремально низкая дисперсия скоростей звезд — около 4,2 километра в секунду, но ошибки в данном случае составляют порядка 80 процентов.
По мнению авторов, полученные данные высокого качества являются убедительным доказательством существования не просто одной исключительной галактики без темной материи, но и нового класса подобных объектов. Также они напоминают, что эти результаты ни в коей мере не опровергают гипотезу о темной материи, а, наоборот, подтверждают ее необходимость: если бы описываемые ей эффекты на самом деле порождались обычной материей, то подобной ситуации не могло бы возникнуть, а раз найден объект без темной материи, то это говорит именно о существовании двух отдельных видов субстанций, которые не связаны напрямую.
nplus1.ru, 28 марта 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/03/28/dark-massless-the-second
Журнал The Astrophysical Journal Letters.
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0d92
Глава 11-9-3
Астрономы разгадали тайну галактики, в которой, как предполагалось, нет темной материи
Апрель 2019
Ответы на вопросы о галактике NGC1052-DF2, как выяснили ученые, лежат на поверхности. Новые выводы могут приблизить нас к пониманию природы темной материи.
Темную материю можно без преувеличения назвать одной из главных загадок Вселенной. Стоит напомнить: это сугубо гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитное излучение и напрямую не взаимодействует с ним. Если говорить проще, то ее невозможно обнаружить напрямую, используя существующие методы, однако расчеты показывают, что она существует. Причем не просто существует, но и занимает 22% от всего состава Вселенной.
То, что темная материя действительно есть, подтвердили многочисленные наблюдения за астрофизическими объектами, а также исследование гравитационных эффектов, которые они порождали.
Тем интереснее для ученых оказалась новость об обнаружении галактики, где, согласно ранним исследованиям, темной материи практически нет. Речь идет о NGC 1052-DF2 — ультрадиффузной (то есть с крайне низкой светимостью) галактике в созвездии Кита. Астрономы оценили массу галактики, и она практически совпала с массой ее светил. Это и позволило сделать вывод об отсутствии темной материи.
Однако сейчас исследователи усомнились в ранее полученных выводах. Международная команда во главе со специалистами Канарского института астрофизики решила перепроверить данные и неожиданно выяснила, что все аномальные измерения в предыдущем исследовании, которые указывали на отсутствие темной материи, зависели от расстояния до галактики, которое, как предполагали, составляет 64 миллиона световых лет. Используя данные обсерватории «Джемини» и космического телескопа «Хаббл», астрономы детально измерили расстояние до NGC 1052-DF2.
Полученные данные показали, что во время ранних исследований была допущена ошибка и настоящее расстояние до NGC 1052-DF2 — не 64 миллиона световых лет, а 42 миллиона. Исходя из этого, можно сделать вывод, что масса галактики составляет примерно половину от той, которую определили раньше, а масса звезд — лишь около четверти от того, что предполагал предыдущий анализ.
Таким образом, не только сама галактика имеет меньшую массу, но и доля «обычной» материи в ней меньше. Это подразумевает, что остальное должно быть темной материей.
naked-science.ru, 4 июня 2019, Илья Ведмеденко
https://naked-science.ru/article/astronomy/astronomy-razgadali-taynu
Международная команда во главе со специалистами Канарского института астрофизики
Глава 11-9-4
Новая модель темной материи объяснила ее нехватку в паре далеких галактик
Сентябрь 2020
Доминирующая модель темной материи не смогла объяснить ее дефицит в ультрадиффузных галактиках NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4, зато новая гипотеза дала точные предсказания. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
По существующим представлениям, большая часть вещества в нашем мире представлена темной материей. В отличие от обычной, она вступает лишь в гравитационные взаимодействия, а в остальном остается совершенно невидима и неощутима. Тем не менее именно ее огромная масса определяет рост галактик и образование крупномасштабной структуры Вселенной.
Доминирующая на сегодня гипотеза «холодной темной материи» (CDM) подразумевает, что, помимо гравитации, они никак не взаимодействуют даже между собой. Менее распространенная гипотеза «самовзаимодействующей темной материи» (SIDM) считает, что такие частицы все же взаимодействуют за счет неизвестной «темной» силы.
Обе теории дают схожие предсказания о том, как темная материя задает крупномасштабную структуру Вселенной, однако ее поведение и распределение по внутренним областям галактик описывают по-разному. Такое сравнение удалось провести, наблюдая пару довольно необычных галактик NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4 — спутниц более крупной NGC 1052, расположенных от нас примерно в 65 миллионах световых лет.
DF2 и DF4 — ультрадиффузные галактики, отличающиеся совсем слабой светимостью. Предполагается, что в таких галактиках доля темной материи особенно велика: при крайне малом количестве звезд масса их может быть сравнимой с массой Млечного Пути. Однако в этот раз все оказалось не так. «Наблюдения DF2 и DF4 показали, что отношение темной материи к массе звезд равно примерно единице, раз в 300 меньше ожидаемого, — говорит руководитель группы исследователей, профессор Калифорнийского университета в Риверсайде Хай-Бо Юй (Hai-Bo Yu).
Авторы работы предположили, что большую часть темной материи эти галактики потеряли из-за влияния гравитации массивной соседки NGC 1052. Чтобы проверить свою идею, они провели компьютерное моделирование этого процесса, опираясь на формулы как CDM-, так и SIDM-модели. Оказалось, второй вариант предсказывает потерю темной материи галактиками DF2 и DF4 намного точнее, чем распространенная модель «холодной темной материи».
По словам ученых, в рамках CDM внутреннее гало темной материи получается «слишком жестким» и устойчивым к действию приливных сил со стороны соседней гравитирующей галактики. В результате материя покидает гало с большим трудом, тогда как на примере галактик DF2 и DF4 мы наблюдаем совершенно иное. Зато в модели SIDM взаимодействия между частицами темной материи облегчает их уход, позволяя появляться таким объектам как DF2 и DF4.
naked-science.ru, 10 сентября 2020, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/novaya-model-temnoj-materii-obyasnila-ee-nehvatku-v-pare-dalekih-galaktik
Журнал Physical Review Letters. 2020
Хай-Бо Юй (Hai-Bo Yu). Калифорнийский университет в Риверсайде
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.111105
Глава 11-9-5
Нехватку темной материи в далекой галактике объяснили влиянием массивной соседки
Ноябрь 2020
Астрономы нашли простое объяснение непростой проблеме дефицита темной материи в далекой галактике NGC 1052-DF4: похоже, большую часть ее поглотила более крупная соседняя галактика. Об этом рассказывается в статье, опубликованной в Astrophysical Journal
Несколько лет назад ученые обнаружили весьма необычные ультрадиффузные галактики NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4, совсем тусклые из-за небольшого количества входящих в них звезд. Но главной их странностью стал дефицит темной материи: расчеты показали, что в DF2 и DF4 ее содержится на порядки меньше, чем предсказывают существующие теории. С тех пор астрономы регулярно возвращаются к этой загадке с новыми идеями и объяснениями, а некоторые даже выдвигают на этой основе весьма экзотические гипотезы о природе темной материи.
Наблюдения галактики NGC 1052-DF4, проведенные космическим телескопом Hubble и наземными инструментами IAC80 и GTC, объясняют дефицит в ней темной материи вполне обычной причиной: влиянием гравитации соседней и более крупной галактики NGC 1035. Сближаясь с DF4, она перетягивает ее темную материю, но пока не так заметно воздействует на популяции звезд, находящихся ближе к центру.
Международная команда астрономов во главе с Мирейей Монте (Mireia Montes) из австралийского Университета Нового Южного Уэльса рассмотрела распределение звезд и шаровых скоплений в DF4. Шаровые скопления возникают в результате периода интенсивного звездообразования и рождения новых светил в общей «звездной колыбели» обширного газопылевого облака.
Положение этих скоплений в DF4 показало, что они «утаскиваются» соседней галактикой, увлекаясь приливными хвостами, которые вытягиваются в ее сторону. При этом с этими хвостами связано не более семи процентов от всех звезд DF4. Это позволяет заключить, что галактика находится лишь на первых этапах взаимодействия с NGC 1035 и поглощения ею. Однако, поскольку темная материя распределена далеко за пределами населенных звездами областей DF4, большая часть ее уже потеряна. Со временем NGC 1035 поглотит и звезды.
naked-science.ru, 27 ноября 2020, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/nehvatku-temnoj-materii-v-dalekoj-galaktike-obyasnili-vliyaniem-massivnoj-sosedki
Журнал Astrophysical Journal. 2020
Мирейя Монте (Mireia Montes) из австралийского Университета Нового Южного Уэльса
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abc340
Глава 11-9-6
Данные, собранные «Хабблом», подтверждают недостаток темной материи в галактиках
Июнь 2021
Самые точные на сегодняшний день измерения параметров ультрадиффузной галактики NGC1052-DF2 (DF2) подтверждают, что в этой галактике наблюдается недостаток темной материи. В результате этих новых измерений командой под руководством Зили Шен (Zili Shen) из Йелльского университета, США, было получено значение расстояния в 22,1 +/- 1,2 мегапарсека. Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.
Эти результаты основаны на 40 орбитах космического телескопа Hubble («Хаббл») и анализе под названием tip of the red giant branch («вершина ветви красных гигантов», TRGB), являющимся «золотым стандартом» таких высокоточных измерений. В 2019 г. команда опубликовала результаты измерений расстояния до соседней ультрадиффузной галактики NGC1052-DF4 (DF4), основанные на 12 орбитах «Хаббла» и TRGB-анализе, которые демонстрировали убедительные признаки отсутствия темной материи.
Кроме подтверждения ранних результатов измерения расстояния, данные, собранные при помощи «Хаббла», подтверждают, что изучаемые галактики почти не содержат или не содержат вовсе темной материи. Если бы галактика DF2 находилась ближе к Земле, она была бы значительно менее яркой и менее массивной, и галактике требовалась бы темная материя для объяснения эффектов.
Темная материя часто рассматривается как важный компонент галактик, однако это исследование представляет доказательства того, что ее присутствие не является необходимым. В случае галактик DF2 и DF4 исследователи смогли объяснить движение звезд, исходя только лишь из звездных масс.
astronews.ru, 18 июня 2021
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20210618193206
Журнал Astrophysical Journal Letters. 2021
Глава 11-9-7
Древнее столкновение оставило цепочку галактик без темной материи
Мая 2022
Астрономы обнаружили структуру из десятка карликовых галактик, вытянутых неровной цепочкой и лишенных темной материи. Возможно, все это — останки космической катастрофы, которая разметала пару древних галактик на куски. Статья опубликована в журнале Nature.
Движения далеких звезд и галактик показывают, что они испытывают притяжение невидимой темной материи (ее несколько раз больше, чем обычного вещества, из которого сложены сами галактики и звезды). Природа темной материи остается неизвестной, однако именно она определяет формирование крупномасштабных структур Вселенной, доминирует в звездных скоплениях, галактиках и их скоплениях.
Лишь недавно астрономы стали открывать галактики, вовсе лишенные темной материи либо содержащие ее в крайне незначительном количестве. Как, например, карликовая NGC 1052-DF2 (или просто DF2), которую пару лет назад нашла команда Питера ван Доккума (Pieter van Dokkum) из Йельского университета. С тех пор обнаружили еще несколько подобных объектов, включая DF4, расположенную возле DF2. Эти галактики весьма озадачивают ученых, пытающихся понять, как те могли сформироваться без темной материи или как они ее потеряли.
Одна из гипотез связывает их появление со столкновениями галактик. В результате такой «аварии» массы их темной материи могут продолжить свой путь, пройдя друг друга насквозь. А вот облака обычного вещества испытывают давление друг друга, замедляются, взаимодействуя, — и отделяются от темного вещества. На такой сценарий указывает и новая статья ван Доккума и его коллег, опубликованная в журнале Nature.
Наблюдения за DF2 и DF4 показали, что траектории этих галактик стали расходиться из общей точки около восьми миллиардов лет назад. Более того, вместе с ними начали движение и другие карликовые галактики, бедные темной материей. Сегодня DF2 и DF4 входят в целую цепочку, включающую от семи до 11 таких объектов, расположенных от нас на расстоянии около 70 миллионов световых лет.
Ученые предполагают, что эта структура может быть следом одной внушительной и древней катастрофы. Тогда галактики, столкнувшись, потеряли темную материю, а их обычное вещество, взаимодействуя, образовало новые скопления, которые растянулись цепочкой карликовых галактик. У лидирующего конца получившейся в результате структуры астрономы заметили образования, похожие на сгустки темной материи, — возможные останки того же столкновения.
naked-science.ru, 19 мая 2022, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/drevnee-stolknovenie-ostavilo-tsepochku
Питер ван Доккум (Pieter van Dokkum) из Йельского университета.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04665-6
Часть 11-10
Карты и обзоры
Содержание
(том – часть –глава)
11-10-1. Карта темной материи помогает ученым проникнуть в тайны истории ранней Вселенной
11-10-2. Опубликована карта распределения масс от Dark Energy Survey
11-10-3. Получены первые результаты нового обзора темной материи
11-10-4. Астрономы построили самые детальные карты распределения темной материи
11-10-5. Космологи создают новую карту движения темной материи
11-10-6. Ученые создали новую трехмерную карту распределения темной материи
11-10-7. Разработана новая карта темной материи, способная изменить понимание физики
11-10-8. Обзор неба Dark Energy Survey дает новые сведения об эволюции Вселенной
Глава 11-10-1
Карта темной материи помогает ученым проникнуть в тайны истории ранней Вселенной
Июль 2015
Исследователи из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), Токийского университета и других научных учреждений во главе с доктором Сатоши Миузаки из Центра перспективных технологий NAOJ начали обзор обширной области неба, ставящий целью выяснение распределения темной материи во Вселенной при помощи новой широкоугольной камеры Hyper Suprime-Cam, которая установлена на телескопе «Субару», расположенном на Гавайях.
Результаты первичных наблюдений, охватывающих область неба в 2,3 квадратных градуса, находящуюся в созвездии Рака, продемонстрировали девять крупных сгустков темной материи, масса каждого из которых сопоставима с массой скопления галактик. Исследования распределения темной материи во Вселенной и его изменения со временем необходимы для понимания роли темной энергии, которая управляет расширением Вселенной.
Эти первые результаты показали, что астрономы теперь располагают методами и инструментами, необходимыми для понимания темной энергии. Следующим шагом исследовательской группы станет расширение поля наблюдений, охватываемого обзором, до одной тысячи квадратных градусов на небе.
Составление крупномасштабных карт темной материи играет ключевую роль в понимании свойств темной энергии, управляющей расширением нашей Вселенной. Эти предварительные научные результаты демонстрируют, что при помощи современных методов исследования и камеры Hyper Suprime-Cam команда готова исследовать изменение распределения темной материи по Вселенной с течением времени, раскрыть тайну темной энергии и изучить историю расширения Вселенной в мельчайших подробностях.
Astronews, 04.07.2015
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=7473
Сатоши Миузаки и др. Центр перспективных технологий NAOJ, Национальная астрономическая обсерватория Японии (NAOJ), Токийский университет
Глава 11-10-2
Опубликована карта распределения масс от Dark Energy Survey
Апрель 2015
Проект Dark Energy Survey опубликовал карту концентраций масс темной и видимой материи. Эти данные собирались в течение года при помощи 570-мегапиксельной камеры DEC (Dark energy camera), установленной на телескопе имени Виктора Бланко в Чили. Релиз выложен на сайте проекта.
Распределение масс измеряется за счет эффекта гравитационной линзы. Он заключается в том, что свет, проходя поблизости от скопления массы, отклоняется в ее сторону. Чем больше материи (как темной, так и светлой) находится в данной точке пространства, тем сильнее она будет искажать свет. Ученые строят карту на основе эффекта гравитационной линзы, а затем сравнивают ее с картой видимых тел. Совпадающие участки соответствуют видимой материи, несовпадающие – темной.
К настоящему времени DEC обследовала только три процента запланированной области: примерно 12x12 градусов. Тем не менее, по словам одного из лидеров проекта, команде потребовалось проанализировать искажения почти двух миллионов галактик для того, чтобы построить новые карты.
Проект Dark Energy Survey был основан в августе 2013. Новые карты стали первыми результатами пятилетнего исследования. При помощи новых карт ученые планируют исследовать свойства темной энергии. Ранее высказывалось предположение, что именно она противостоит гравитации и отвечает за расширение Вселенной.
nplus1, 14 апреля 2015, Тарас Молотилин
https://nplus1.ru/news/2015/04/14/dark-matter
Проект Dark Energy Survey
https://deswl.github.io/page1/vikram_paper/vikram_paper.html
Глава 11-10-3
Получены первые результаты нового обзора темной материи
Июль 2015
В официальном релизе Европейской южной обсерватории (ESO) сообщили о завершении первого этапа обзора KiDS (Kilo-Degree Survey). В его рамках планируется получить данные о распределении темной материи на участке неба в 1500 квадратных градусов.
По анализу первых данных обзора ученым удалось получить изображения более двух миллионов галактик. Использовав эффект гравитационного линзирования, авторы рассчитали распределение темной материи и нанесли его на снимок неба в видимом диапазоне.
Оказалось, что в большинстве случаев самая яркая галактика в группе находилась в локальном скоплении темной материи с наибольшей массой. Такой результат подтверждает существующую гипотезу о том, что первичные облака газа, из которых образовывались галактики, скапливались в участках, где плотность темной материи была максимальна.
В рамках обзора KiDS астрономы получают данные о южном небе в оптическом и инфракрасном диапазоне. Основным источником является широкоугольный телескоп VST (VLT Survey Telescope), расположенный на севере Чили. Его строительство началось в 1997 году, а первые снимки удалось получить в июне 2011 года.
http://www.eso.org/public/russia/news/eso1528/
https://nplus1.ru/news/2015/07/10/dark-matter-survey
Глава 11-10-4
Астрономы построили самые детальные карты распределения темной материи
Март 2017
Астрономы построили самую детальную на сегодняшний день карту распределения темной материи в скоплениях галактик. Работа исследователей опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, с препринтом можно ознакомиться на сайте ArXiv.
Согласно современной космологической модели, наша Вселенная заполнена огромным количеством темной материи, которую нельзя увидеть напрямую с помощью телескопов. Тем не менее, на ее существование указывают некоторые процессы, например движение звезд в галактиках или гравитационное микролинзирование. Так, исследования показывают, что скорость вращения звезд вокруг галактического центра практически не меняется по мере удаления от него (хотя, по идее, она должна бы снижаться), а слабое гравитационное линзирование множества галактик, то есть искажение далеких источников света массивным объектом, расположенным между ним и наблюдателем, выражено гораздо отчетливее, чем должно быть по расчетам, принимающим во внимание только массу звезд, пыли и газа. Обе эти «аномалии» лучше всего объясняются присутствием темной материи — некоторого компонента, способного гравитационно взаимодействовать с другими объектами.
Гравитационные эффекты также позволяют астрономам изучать, как распределяется «невидимое вещество» во Вселенной. Опираясь на них, авторы новой работы создали карту распределения темной материи в трех скоплениях галактик.
Астрономы в рамках проекта Frontier Fields наблюдали с помощью телескопа Hubble за скоплениями Abell 2744 (красное смещение 0,308), MACSJ 0416 (красное смещение 0.396), и MACSJ 1149 (красное смещение 0.543). Большая масса этих объектов позволяет им действовать как гравитационные линзы, искажая прямолинейный ход лучей света и увеличивая видимые размеры тел за ними. Исследователи изучили искажение изображений десятков галактик, которые лежали за скоплениями, и на основе этого рассчитали распределение вещества в самих линзах.
nplus1.ru, 3 марта 2017, Кристина Уласович
https://nplus1.ru/news/2017/03/03/dark-matter-mapping
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017
https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/doi/10.1093/mnras/stw3385/2970349/Mapping-substructure-in-the-HST-Frontier-Fields?redirectedFrom=fulltext
Глава 11-10-5
Космологи создают новую карту движения темной материи
Июль 2017
При помощи методов современного компьютерного моделирования эта исследовательская группа впервые преобразовала карту распределения галактик во Вселенной в подробные карты потоков материи и скоростей. Исследование опубликовано в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Главный автор новой работы доктор Флорент Леклер (Florent Leclercq) из Института космологи и гравитации Портсмутского университета, Великобритания, говорит: «Темная материя представляет собой субстанцию неизвестной природы, которая, как сегодня считают ученые, составляет 80 процентов от общей массы Вселенной. Так как она не излучает свет и никак не реагирует на него, то распределение и эволюция этого вида материи не поддаются прямым наблюдениям и могут быть изучены лишь по косвенным признакам».
Исследователи использовали в своей работе данные, собранные при помощи Слоуновского цифрового обзора неба в период с 2000 по 2008 гг. В рамках этого обзора неба были получены глубокие изображения одной пятой части неба и сняты спектры более чем 900000 галактик.
Исследователи использовали в своей работе математические инструменты анализа фазового пространства и результаты, полученные в предыдущем исследовании этих авторов, проведенном в 2015 г., в рамках которого были воссозданы первичные условия в ближней части Вселенной.
Эти новые карты темной материи охватывают участок Северного неба размером 600 мегапарсек.
astronews.ru, 26 июля 2017
Журнал Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2017
Флорент Леклер (Florent Leclercq) из Института космологи и гравитации Портсмутского университета
Глава 11-10-6
Ученые создали новую трехмерную карту распределения темной материи
Сентябрь 2018
Международная группа исследователей представила самую детальную трехмерную карту распределения материи во Вселенной, а также повысила точность ограничений для темной энергии при помощи камеры Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru. Карта позволила астрономам измерить гравитационное искажение изображений примерно 10 миллионов галактик. Результаты исследования опубликованы на сайте препринтов arXiv.org.
Телескоп Subaru позволил ученым рассмотреть галактики еще подробнее и «глубже», чем это удавалось в ходе аналогичных исследований. Например, Dark Energy Survey анализирует намного больший участок неба с той же точностью, что и HSC, но изучает только ближайшую к нам Вселенную. HSC изучает более узкий участок, но «смотрит» дальше, что позволило исследователям увидеть более тусклые галактики и создать максимально точную карту распределения темной материи.
Ученые сравнили свою карту с флуктуациями, предсказанными наблюдениями реликтового излучения с аппарата «Планк». Результаты, полученные HSC, были несколько ниже, но в целом соответствовали результатам «Планка». Тот факт, что и HSC, и другие исследования слабого линзирования получают более низкие результаты, чем «Планк», рождает вопросы о том, действительно ли темная энергия ведет себя как космологическая постоянная Эйнштейна.
«Наша карта предоставляет нам самую подробную картину того, сколько во Вселенной темной энергии. Она больше рассказывает о ее свойствах и о том, как та ускоряет расширение Вселенной, — рассказывает Рэйчел Мандельбаум из Университета Карнеги — Меллон. — HSC дополняет другие исследования. Совмещение данных разных проектов станет мощным инструментом при изучении природы темной материи и темной энергии».
Данные и результаты ученые получили в течение первого года наблюдений на HSC. В целом исследование HSC соберет информацию за пять лет исследований. Астрономы также изучат эволюцию галактик и массивных галактических кластеров на протяжении космического времени, измеряя такие объекты, как сверхновые и даже Млечный Путь.
naked-science.ru, 27 сентября 2018
https://naked-science.ru/article/sci/uchenye-sozdali-novuyu-trehmernuyu
Препринт на arxiv.org
https://arxiv.org/abs/1809.09148
Глава 11-10-7
Разработана новая карта темной материи, способная изменить понимание физики
Февраль 2019
Ученые создали новую карту, в которой отобразили, как увеличилось количество темной материи за время существования Вселенной. Они утверждают, что полученные данные могут перевернуть современное понимание физики. Совмещение Теории относительности Эйнштейна с одним из самых мощных в мире телескопов помогло международной команде исследователей измерить, где и как во Вселенной образуются структуры темной материи. Их анализ предполагает, что космические структуры могут развиваться медленнее, чем считалось в более ранних моделях. Доступно в базе препринтов arXiv.org
Полученные учеными данные о распределении темной материи со времен Большого взрыва могут перевернуть современное понимание физических законов, если подтвердятся.
«Если дальнейшие данные покажут, что мы правы, это будет предполагать, что в нашем понимании Стандартной модели и Общей теории относительности чего-то не хватает», — говорит физик из Института теоретической физики имени Кавли Чиаки Хикаге.
Хикаге и его коллеги проанализировали снимки 10 миллионов галактик, сделанные при помощи 870-мегапиксельного телескопа Subaru на Гавайях.
Свет от некоторых галактик шел до Земли миллиарды лет. Учитывая этот факт, исследователи составили карту темной материи начиная со времен ранней Вселенной. Для этого ученым нужно было изучить, как сила гравитации изгибает свет.
То, что они обнаружили, их удивило. Разработанная карта предполагает, что гигантская структура темной материи во Вселенной формировалась медленнее, чем считалось раньше. Похоже, эти результаты бросают серьезный вызов современному пониманию фундаментальных физических законов.
Тем не менее, как отмечает Хикаге, новую карту необходимо сначала подтвердить, прежде чем делать далеко идущие выводы.
«Приложив еще немного усилий, если нам удастся добиться более высокой точности, мы вполне можем найти что-то конкретное, — заявляет Хикаге. — Для меня это серьезный мотивирующий фактор».
naked-science.ru, 14 февраля 2019
https://naked-science.ru/article/astronomy/razrabotana-novaya-karta-temnoy
Препринт на arXiv.org
Чиаки Хикаге (Chiaki Hikage). Институт теоретической физики имени Кавли.
https://arxiv.org/abs/1809.09148
Глава 11-10-8
Обзор неба Dark Energy Survey дает новые сведения об эволюции Вселенной
Май 2021
В 29 новых научных работах астрономы проекта Dark Energy Survey (DES) изучили крупнейшие карты распределения галактик, охватывающие область Вселенной размером более 7 миллиардов световых лет. Этот невероятно точный анализ, который включает данные, полученные при помощи обзора неба DES на протяжении первых трех лет его проведения, является самой убедительной проверкой лучшей современной модели устройства Вселенной, называемой Стандартной космологической моделью.
Однако ряд фактов, обнаруженных в ранних данных, собранных при помощи эксперимента DES, а также в данных других экспериментов, показывает, что материя в современной Вселенной является на несколько процентов менее плотной, чем прогнозируется.
Новые результаты, полученные в рамках обзора неба DES, основаны на самом крупном в истории космических наблюдений наборе галактик, наблюдаемых на участке размером свыше одной восьмой части неба, что позволило провести самые точные на сегодняшний день измерения параметров структуры Вселенной и ее роста.
Обзор неба DES производит наблюдения ночного неба при помощи 570-мегапиксельной камеры Dark Energy Camera, установленной на 4-метровом телескопе им. Виктора Бланко, расположенном в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо, Чили.
На протяжении 6 лет, с 2013 г. по 2019 г., обзор неба DES задействовал 30 процентов времени на телескопе В. Бланко для наблюдений участка неба размером 5000 квадратных градусов – что соответствует примерно одной восьмой части неба – на протяжении 758 ночей, в результате чего в каталог были занесены сотни миллионов объектов. Эти новые результаты основаны на данных, полученных в течение первых трех лет – когда 224 миллиона галактик наблюдались на протяжении 345 ночей – которые позволили создать самые точные карты распределения галактик во Вселенной в относительно ранние эпохи ее развития.
Поскольку обзор неба DES наблюдал как близлежащие галактики, так и галактики, находящиеся на расстояниях в миллиарды световых лет, то эти карты позволяют сравнить между собой крупномасштабную структуру современной Вселенной с аналогичной структурой ранней Вселенной и оценить эволюционные изменения.
AstroNews. 29 мая 2021
Часть 11-11
Инструменты поиска темной материи
Содержание
(том – часть – глава)
11-11-1. Природа частиц тёмной материи
11-11-2. Физическое обнаружение гипотетических частиц тёмной материи
11-11-3. Попытки. Справка
11-11-4.
11-11-6. CDMS
11-11-7. В Канаде начали строить самый точный детектор темной материи
11-11-8. Проект XENON
11-11-9. Коллаборация DarkSide
Глава 11-11-1
Природа частиц тёмной материи
Тёмная материя определяется по гравитационному взаимодействию с обычным веществом и излучением. Гипотетические частицы холодной темной материи — медленные (нерелятивистские), они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с обычной материей и не излучают фотонов. Они подразделяются на слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISP — weakly interacting slim particles).
WIMP — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц Стандартной модели) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона), и т. д. Наилучшим кандидатом на звание частицы темной материи из числа WIMP ученые сейчас считают нейтралино — это квантовая «смесь» суперпартнеров Z-бозона, фотона и бозона Хиггса.
На данный момент частицы с необходимыми свойствами открыты не были, но многие расширения стандартной модели предсказывают существование таких частиц. Поиск вимпов включает попытки прямого обнаружения высокочувствительными детекторами, а также попытки их создания на ускорителях частиц. Вимпы обычно рассматривают как наиболее вероятные кандидаты в составляющие тёмной материи.
Основной кандидат из группы WISP — аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Эта очень легкая (миллионные доли электронвольта) стабильная и электрически нейтральная частица способна в очень сильных магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намек на то, как можно попытаться ее обнаружить в эксперименте.
Аксионы обладают теоретическим преимуществом, поскольку их существование может решить одну из проблем квантовой хромодинамики, но пока эти частицы обнаружены не были.
Не исключено, что темная материя — это MACHO или массивные компактные объекты гало являются крупными плотными объектами, такими как чёрные дыры, нейтронные звёзды, белые карлики, очень слабые звёзды или несветящиеся объекты типа планет. Поиск таких объектов заключается в использовании метода гравитационного линзирования для обнаружения влияния таких объектов на изображения галактик фона. Большинство экспертов считает, что ограничения, полученные из результатов поиска объектов, исключают MACHO из числа кандидатов в составляющие тёмную материю объекты.
Глава 11-11-2
Физическое обнаружение гипотетических частиц тёмной материи
Экспериментальное обнаружение частиц тёмной материи должно основываться, во-первых, на том, что они обладают массой, гравитационно взаимодействующей с другими массами, во-вторых, что эта масса должна быть очень велика. Однако кроме этого о тёмной материи ничего не известно. Основная трудность при поиске частиц тёмной материи заключается в том, что они не участвуют в электромагнитном взаимодействии, то есть невидимы и имеют небарионную природу.
Имеются два варианта поиска: прямой и косвенный.
При прямом экспериментальном поиске ТМ с помощью наземной аппаратуры изучаются следствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами в чувствительном объёме низкофонового ядерно-физического детектора. При рассеянии частицы тёмной материи, входящей в состав галактического гало, на частице обычного вещества (электроне или нуклоне) последняя получает определённую кинетическую энергию и может быть зарегистрирована обычными методами. Проблема заключается в чрезвычайной малости сечения взаимодействия частиц ТМ с обычными частицами. Дополнительная экспериментальная сигнатура, позволяющая подавить фон, но вносящая определённую модельную зависимость, основана на ожидаемом периодическом изменении скорости Земли (и детектора вместе с ней) относительно гало тёмной материи ввиду орбитального движения вокруг Солнца, что должно приводить к вариациям сигнала с годичной периодичностью и максимумом в начале июня. Вариант прямого поиска лёгких частиц ТМ (в частности, аксионов) заключается в детектировании их распада на фотоны в магнитном поле в высокодобротной резонансной полости (так называемом галоскопе).
Подобные эксперименты требуют высокой точности и исключения помех от других источников сигнала, поэтому детекторы, как правило, располагаются под землёй.
Косвенные методы детектирования основаны на попытках обнаружения потоков вторичных частиц (нейтрино, фотонов и т. п.), которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.
Глава 11-11-3
Попытки. Справка
В течение последних тридцати лет физики искали частицы темной материи огромным числом независимых способов.
Во-первых, поисками занимаются огромные детекторы на благородных газах, которые просматривают сотни килограмм вещества в надежде заметить столкновение вимпов с одним из его атомов. В частности, к таким детекторам относятся установки XENON, CDMS, PandaX и DarkSide.
Во-вторых, некоторые ученые предлагают немного видоизменить этот подход, заменив сжиженный газ массивом сверхпроводящих нанопроводов. Оба этих подхода отталкиваются от успеха нейтринных детекторов, имеющих схожую конструкцию.
В-третьих, на «темные» частицы может указывать недостаток обычных частиц, которые рождаются в столкновениях высокоэнергетических протонов (например, на Большом адронном коллайдере).
В-четвертых, в последнее время разрабатывают детекторы, которые могут «почувствовать» легкие частицы темной материи — например, детекторы ADMX и ABRACADABRA. Наконец, некоторые ученые предлагают искать частицы темной материи по косвенным признакам — по разогреву нейтронных звезд или аннигиляции. Как бы то ни было, ни один из этих способов не дал положительного результата.
В ноябре 2017 года физики из Университета Брауна предложили искать легкие частицы темной материи с помощью квантового испарения жидкого гелия. В каком-то смысле этот подход аналогичен «туманной», «снежковой» и пузырьковой камере, которые основаны на фазовых переходах метастабильного вещества.
Глава 11-11-4
Эксперимент ADMX (Axion Dark Matter Experiment) располагается в Центре Экспериментальной Ядерной Физики и Астрофизики (CENPA) в университете штата Вашингтон. Главная задача его – поиск холодной темной материи по методу, использующему большой свехпроводящий соленоид. Магнитное поле, создаваемое им, однородное и составляет 7,6 Тл. Согласно теории, аксионы в таких условиях должны превращаться в низкоэнергетичные фотоны.
Глава 11-11-6
CDMS
CDMS (англ. Cryogenic Dark Matter Search — Криогенный поиск тёмной материи) — серия экспериментов, разработанных для непосредственного детектирования частиц тёмной материи в форме вимпов. Используя матрицу полупроводниковых детекторов, находящихся при температуре около 0,01 К, CDMS является наиболее чувствительным экспериментом по получению данных о взаимодействии вимпов с земным веществом. Первый эксперимент CDMS-1 проводился в туннеле под кампусом Стэнфордского университета. Текущий эксперимент CDMS-2 проводится глубоко под землёй в Миннесоте.
За период с 2007 по 2008 годы в рамках экспериментов удалось зарегистрировать два события, которые можно расценить как случаи регистрации вимп-частиц. При этом прогнозируемая вероятность регистрации подобных событий была оценена в пять событий за два года.
Глава 11-11-7
В Канаде начали строить самый точный детектор темной материи
Май 2018
В канадской подземной физической лаборатории SNOLAB началось сооружение установки SuperCDMS, предназначенной для поиска массивных частиц темной материи. С помощью нового детектора можно будет искать частицы в недоступном ранее диапазоне от одного до десяти масс протона, а точность SuperCDMS в 50 раз превысит точность предыдущей версии, что делает его одним из самых чувствительных детекторов по поиску темной материи. О начале постройки детектора сообщает пресс-релиз Национальной ускорительной лаборатории SLAC, одного из партнеров проекта.
Напрямую подтвердить существование частиц темной материи ученые до сих пор не смогли. Правда, в 2010 году группа CDMS сообщала о регистрации одной частицы темной материи, однако статистическая значимость этого измерения была невысока, и в дальнейшем оно не подтвердилось.
Ученые не теряют надежды и продолжают совершенствовать экспериментальные установки, призванные регистрировать частицы темной материи. В частности, о постройке нового детектора сообщает группа CDMS. Предыдущая версия разработанной ими установки состояла из 30 полупроводниковых кремний-германиевых детекторов размером с хоккейную шайбу, охлажденных до температуры около 0,6 кельвинов, и находилась на глубине чуть менее четырехсот метров в подземной шахте Судан в национальном парке Минессоты, чтобы снизить фоновый сигнал от нейтрино и космических частиц.
Когда гипотетические массивные частицы темной материи (вимпы) пролетают через такую шайбу, они могут столкнуться с атомами кристаллической решетки и заставить их колебаться (такие колебания удобно описывать с помощью квазичастиц — фононов); кроме того, они могут ионизировать вещество, то есть выбить из него электроны. Оба этих эффекта легко отследить — сигнал ионизации можно считывать с помощью усилителей на полевых транзисторах, а фононы удобно отлавливать с помощью сверхпроводящих датчиков краевых переходов, основанных на сверхпроводящих квантовых интерферометрах (СКВИДах).
К сожалению, частицы темной материи невероятно редко взаимодействуют с частицами Стандартной модели, и точности предыдущей версии установки не хватило, чтобы достоверно зарегистрировать хотя бы одно событие, отвечающее рассеянию вимпов. На этот раз ученые планируют охладить кремний-германиевые детекторы до еще более низкой температуры около 0,1 кельвина и увеличить их объем более чем в два раза, доведя радиус шайбы до десяти сантиметров. Кроме того, новая установка, получившая название SuperCDMS. сможет вместить 31 ряд, в каждом из которых помещается шесть детекторов, что позволит значительно ускорить поиски (правда, первые несколько лет на ней будет работать только четыре ряда). Наконец, SuperCDMS будет находиться не в шахте Судан, а в подземной лаборатории комплекса SNOLAB, оставшейся после экспериментов по поиску нейтрино и расположенной на глубине более двух километров. Таким образом, установка будет лучше защищена как от тепловых флуктуаций, так и от космического фона, который мешает отделить события, отвечающие рассеянию вимпов, от событий, связанных с другими частицами.
nplus1.ru, 8 мая 2015, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/05/08/SuperCDMS
Глава 11-11-8
Проект XENON
XENON — исследовательский проект по изучению темной материи, который проводится в лаборатории Гран Сассо в Италии. Исследовательская лаборатория находится глубоко под землей, где ученые ставят эксперименты, пытаясь выявить и исследовать частицы темной материи. Считается, что эти слабо взаимодействующие массивные частицы (англ. Weakly interacting massive particles Weakly interacting massive particles — WIMP) можно обнаружить, если фиксировать жидкие ядерные распады и возмущения в закрытой камере, наполненной ксеноном.
Эксперимент обнаруживает сцинтилляции и ионизации, которые возникают в результате взаимодействия частиц с жидким ксеноном, что дает возможность выявить прохождения реакций ядерного распада. Во главе группы итальянский физик — профессор колумбийского университета Елена Априле.
В эксперименте XENON используется двухфазная время-проекционная камера, которая в нижней части заполнена жидким ксеноном, а в верхней — газообразным. Две матрицы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), один наверху детектора, где вещество в газообразном состоянии (GXe), а другой — под жидким слоем ксенона (LXe), обеспечивают детектирование сцинтилляций, когда заряженные частицы взаимодействуют с веществом в детекторе.
Ожидается, что искомые заряженные частицы, которые пролетают через детектор, будут взаимодействовать и с электронами атомов ксенона, и с самими ядрами атомов ксенона. Теория гласит, что частица темной материи, которая ударит по атомам в резервуаре, высвободит фотоны и электроны, которые можно будет зафиксировать в виде вспышек света. Такие сигналы впервые были зафиксированы 16 июня 2020, они могут стать подтверждением существования темной материи.
XENON10
Эксперимент XENON10 проводился в подземной лаборатории Гран-Сассо в течение марта 2006 года. Подземное размещение лаборатории обеспечило экранирование, эквивалентное слою воды толщиной 3100 метров. Кроме того, сам детектор был дополнительно экранирован, чтобы ещё уменьшить фоновый шум на ВПК. Вообще XENON10 расценивался как прототип детектора, основным его назначением было доказать эффективность самой концепции XENON, а также проверить достижимость тех или иных предельных значений, чувствительность и фоновую мощность. Детектор XENON10 содержал 15 килограмм жидкого ксенона. Размеры чувствительного объёма ВПК составляли 20 см в диаметре и 15 см в высоту.
XENON100
Криостат и экран XENON100. Экран состоит из внешней оболочки, наполненной водой толщиной 20 см, затем 20 см свинцовой обложки, затем 20 см полиэтилена и внутренней оболочки с 5-см слоем меди.
Вторая фаза детектора под названием XENON100 содержала уже 165 кг жидкого ксенона, из которых 62 кг приходилось на область мишени, а все остальное приходилось на «active veto» сенсор. ВПК имела 30 см в диаметре и 30 см высотой.
XENON1T
Строительство третьей фазы под названием XENON1T началось в зале B (Hall B) Гран-Сассо в 2014 году. Проект детектора предусматривает 3,5 тонн ультра радио-очищенного жидкого ксенона, из которых на область мишени будет приходиться более 1 тонны. Детектор помещен в наполненную водой оболочку высотой 10 метров, которая будет выполнять роль «мюонного вето». ВПК будет иметь 1 м в диаметре и столько же в высоту.
На детекторе планируется изучить и протестировать некоторые теоретические модели, которые являются кандидатами на суперсимметрию.
Глава 11-11-9
Коллаборация DarkSide
Коллаборация DarkSide — это международное объединение университетов и лабораторий, стремящееся напрямую обнаруживать темную материю в форме слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP). Сотрудничество занимается планированием, строительством и эксплуатацией серии камер проекции времени с жидким аргоном (TPC), которые используются в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Ассержи, Италия. Детекторы заполнены жидким аргоном из подземных источников для исключения радиоактивного изотопа 39. Ar, который составляет один из каждых 1015 (квадриллионов) атомов атмосферного аргона.
Прототип Darkside-10 (DS-10) был испытан в 2012 году, а эксперимент Darkside-50 (DS-50) проводится с 2013 года. Darkside-20k (DS-20k) с 20 тоннами жидкого аргона планируется 2019 года.
Прототип детектора Darkside-10 содержал 10 кг жидкого аргона. Он был построен в Принстонском университете и проработал там семь месяцев, после чего в 2011 году был перевезен в Национальную лабораторию Гран-Сассо. Детектор работал в Гран-Сассо в 2011-2012 годах.
Dарксайд-50 имеет массу мишени из аргона 46 кг. Планируется трехлетний период и предлагается расширение в тоннах. Первоначальные результаты за месяц бега были опубликованы в 2014 году. Независимые от спина пределы были установлены с использованием 1422 кг×дней воздействия атмосферного аргона. Был найден предел сечения 6,1×10-44 см2 для вимпа мощностью 100 Гэв.
Часть
Поиски WIMP
Содержание
(том – часть – глава)
11-12-1. Недавние поиски частиц темной материи закончились неудачей
11-12-2. В фоновом гамма-излучении Вселенной не обнаружено признаков темной материи
11-12-3. «Созвездие» спутников GPS превратили в детектор темной материи
11-12-4. «Хаббл» поставил под сомнение теорию холодной темной материи
11-12-5. Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием
11-12-6. Физики заподозрили земную кору в «ослеплении» детекторов темной материи
11-12-7. Новый детектор не подтверждает наличия темной материи
11-12-8. Темная материя существует: Наблюдения не подтверждают альтернативные гипотезы
11-12-9. Физики предложили схему универсального алмазного детектора темной материи
11-12-10. Физики использовали все еще живых людей в качестве детектора темной материи
11-12-11. Ускоритель темной материи облегчит ее поиски
11-12-12. Новые поиски темной материи предложили вести на старых детекторах
11-12-13. Новая модель показывает, как выглядела бы темная материя, если бы была видимой
11-12-14. Новые данные показывают, что модели темной материи расходятся с наблюдениями
11-12-15 Темную материю предложили детектировать с помощью маятников
Глава 11-12-1
Недавние поиски частиц темной материи закончились неудачей
Июль 2016
Ученые в минувший четверг сообщили о завершении продолжавшихся в течение 20 месяцев поисков ВИМПов (WIMPs, weakly interacting massive particles), слабо взаимодействующих массивных частиц, главных кандидатов на роль частиц темной материи. Эти поиски проходили на территории заброшенной золотой шахты под более чем километровым слоем горных пород в местечке Блэк Хилз, штат Южная Дакота, США, в Сэнфордской подземной лаборатории.
Использованный в этой работе детектор ВИМПов состоял из резервуара с охлажденным жидким ксеноном, который был окружен сенсорами, способными измерять яркость крохотных вспышек света, вызываемых столкновениями частиц темной материи с атомами ксенона.
Для защиты от космических лучей резервуар с ксеноном был погружен в емкость, наполненную 18 кубометрами воды сверхвысокой очистки.
Ученые смоделировали, как будет выглядеть столкновение ВИМПа с атомом ксенона, а также проверили срабатывание детектора на потоки нейтронов и частиц радиоактивных газов.
Хотя эксперимент Large Underground Xenon, или LUX, оказался в четыре раза чувствительнее, чем ожидалось, однако он не зафиксировал ни одной частицы темной материи, сообщили ученые в четверг на конференции, проходившей в г. Шеффилд, Соединенное Королевство.
Частица темной материи является краеугольным камнем теории, позволяющей объяснить так называемую «недостающую массу» Вселенной.
astronews.ru, 21 июля 2016
Глава 11-12-2
В фоновом гамма-излучении Вселенной не обнаружено признаков темной материи
Декабрь 2016
Исследователи из Амстердамского университета, Нидерланды, опубликовали самый подробный на сегодняшний день анализ флуктуаций фонового гамма-излучения Вселенной. Используя наблюдательный материал, собранный при помощи инструмента Large Area Telescope космической обсерватории НАСА «Ферми», исследователи смогли обнаружить два различных типа источников, вносящих вклад в суммарное фоновое свечение Вселенной в самом высокоэнергетическом диапазоне электромагнитного спектра. Никаких следов, указывающих на присутствие частиц темной материи при этом обнаружено не было. Работа увидела свет в журнале Physical Review D.
Самыми яркими точечными космическими источниками, излучающими в гамма-диапазоне, являются блазары, представляющие собой сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах далеких галактик. Кроме того, в меньших количествах гамма-лучи испускают нейтронные звезды определенного класса, называемые пульсарами, и гигантские звездные взрывы – сверхновые. Однако помимо этих различимых точечных источников зафиксировано фоновое гамма-излучение Вселенной, на долю которого приходится 75 процентов всего внегалактического гамма-излучения, принимаемого существующими детекторами. Источник этого так называемого изотропного излучения до сих пор не был точно установлен учеными. Основными источниками этого таинственного диффузного гамма-излучения могут являться блазары, слишком тусклые для обнаружения при помощи обсерватории «Ферми», или другие тусклые источники, считают некоторые исследователи. Другие исследователи предполагают, что вклад в формирование этого фона могут вносить частицы темной материи, гипотетически способные аннигилировать с высвобождением гамма-фотона.
В своей новой работе доктор Маттиа Форнаса (Mattia Fornasa) из Амстердамского университета и ее коллеги показывают, что фоновое гамма-излучение Вселенной объясняется источниками двух различных типов: высокоэнергетических (> 1 ГэВ) и низкоэнергетических (< 1 ГэВ) источников. К высокоэнергетическим источникам, вносящим вклад в это фоновое излучение, авторы статьи на основании результатов своего анализа с уверенностью относят тусклые блазары, однако с низкоэнергетическими источниками ситуация представляется более сложной, и высказать однозначную версию об их происхождении исследователи пока не решаются. Однако, как отмечает команда, никаких аномалий, указывающих на фотоны, исходящие от частиц темной материи, в фоновом гамма-излучении Вселенной в ходе этого исследования зафиксировано не было.
astronews.ru, 20декабря 2016
Журнал Physical Review D. 2016
Маттиа Форнаса (Mattia Fornasa) из Амстердамского университета
Глава 11-12-3
«Созвездие» спутников GPS превратили в детектор темной материи
Май 2017
Физики из США и Канады, воспользовались для поиска сгустков темной материи созвездием из 31 спутника GPS, превратив его, по сути, в гигантский 50000-километровый детектор. Ключевым для работы детектора стали высокоточные атомные часы, находящиеся на борту спутников. Ученым не удалось найти признаков сгустков, что позволило оценить интенсивность взаимодействия темной материи с атомными часами — новая оценка оказалась в сто тысяч раз лучше, чем все предыдущие. Исследователи отметили, что главная ценность работы в демонстрации нового подхода. Результаты работы опубликованы на сервере препринтов arxiv.org.
Существует несколько гипотез того, чем может быть темная материя. Согласно одной из самых популярных теорий — массивные, но слабо взаимодействующими с веществом частицы, WIMP. Их поисками занимается огромное число экспериментов по всему миру: серия экспериментов XENON, LUX, CoGeNT, CRESST и другие. Хотя об обнаружении эффектов, связанных с WIMP сообщал эксперимент DAMA, данные с более современных детекторов позволяют предположить, что это, скорее всего, случайные флуктуации. Поэтому больший интерес возникает к альтернативным объяснениям природы темной материи.
Ряд работ рассматривают темную материю как топологические дефекты в пространстве-времени — сгустки в виде «стен». Такие сгустки должны локально изменять течение времени своим гравитационным полем, в согласии с общей теорией относительности.
Авторы работы предложили исследовать эти изменения с помощью системы спутников GPS, каждый из которых оборудован высокоточными атомными часами. Уже в их движении по орбите Земли наблюдаются проявления теории относительности — часы словно бы торопятся на 46 микросекунд в день из-за гравитации планеты (относительно наземных) и одновременно отстают на 7,2 микросекунды в день, что учитывается в работе системы. В случае, если Земля проходит сквозь одну из таких «стен» темной материи, должна появиться дополнительная поправка, которая немного собьет часы.
Земля двигается относительно центра Галактики со скоростью порядка 220 километров в секунду. По оценкам авторов, наша планета должна налетать на сгустки темной материи с характерной скоростью около 300 километров в секунду. Это означает, что сбой часов в GPS должен распространяться в течение почти трех минут на всех спутниках по очереди. Зафиксировать такое событие можно анализируя корреляции в сбоях атомных часов. Точность последних достигает одной миллиардной доли секунды (в десятки тысяч раз меньше поправок на ОТО).
Подробное описание принципа анализа данных ученые опубликовали в 2014 году в журнале Nature Physics. Физики изучили данные, собранные за 16 лет работы системы спутников в поисках корреляций, временные периоды которых простирались от полутора минут до четырех часов. Однако обнаружить следов темной материи не удалось.
Размер детектора, который использовали физики превышает диаметр Земли в четыре раза, но это не самая большая база, использованная для астрономических наблюдений. Космический радиотелескоп «Спектр-Р», способен проводить наблюдения одновременно с земными радиотелескопами, формируя общий детектор с апертурой в 350 тысяч километров.
nplus1.ru, 6 мая 2017, Владимир Королев
https://nplus1.ru/news/2017/05/06/gps-dark-matter
Сервер препринтов arxiv.org, 2017
https://arxiv.org/abs/1704.06844
Глава 11-12-4
«Хаббл» поставил под сомнение теорию холодной темной материи
Октябрь 2017
Данные сильного гравитационного линзирования скоплений галактик, собранные телескопом «Хаббл», позволили найти распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и самой яркой галактикой скопления (BCG). Оказалось, что это распределение не согласуется с принятой сейчас теорией холодной темной материи. Статья принята к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Теория холодной темной материи (Cold Dark Matter, CDM) является основной в современной космологии и астрофизике. Согласно этой теории, темная материя состоит из частиц, движущихся со скоростями много меньше скорости света и очень слабо взаимодействующих с обычной барионной материей, и играет ключевую роль в формировании галактик и скоплений галактик.
Несмотря на то, что модель CDM хорошо объясняет крупномасштабную структуру вселенной, на более мелких масштабах существуют некоторые расхождения между экспериментальными данными и теорией. Например, наблюдения за местной группой выявили, что распределение плотности некоторых карликовых галактик не согласуется с предсказаниями CDM. В данной работе сообщают о еще одном таком несоответствии.
Заключается это расхождение в следующем. Естественно предположить, что в скоплении галактик самая яркая и массивная из них (brightest cluster galaxy, BCG) находится в центре (точнее, центре масс). В результате некоторых событий (например, поглощения скоплением еще одной галактики) BCG может сместиться и начать колебаться с некоторой амплитудой около положения равновесия. По стандартной теории CDM эти колебания должны быстро затухать. В действительности это оказывается не всегда так.
Физики смоделировали их и выяснили, на каком отдалении находятся центры масс обычной и темной материи в реальных скоплениях галактик. Для этого они использовали эффект сильного гравитационного линзирования. С помощью численного моделирования они проверили пять сценариев, в которых амплитуда колебаний BCG составляла от нуля до двадцати килопарсек, и посмотрели, как в них искажается свет. Затем ученые сравнили результаты расчетов с данными десяти подтвержденных примеров сильного линзирования, собранными телескопом «Хаббл», и построили реальное распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и BCG. Оказалось, что определенная таким образом амплитуда колебаний составляет около 12 килопарсек, что намного больше результата, полученного с помощью расчетов в предположении стандартной теории CDM.
Авторы статьи надеются, что в дальнейшем более точные наблюдения за скоплениями галактик позволят лучше изучить колебания BCG и, возможно, понять, как себя в действительности ведет темная материя. Возможно, они подтвердят теорию теплой темной материи или взаимодействующей самой с собой темной материи.
nplus1.ru, 26 октября 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/10/26/CDM-fail
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017
https://arxiv.org/abs/1703.07365
Глава 11-12-5
Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием
Ноябрь 2017
Частицы темной материи не удается обнаружить напрямую из-за того, что они отталкиваются от частиц обычной материи, считает физик. По его расчетам, опубликованным в Physical Review D, если радиус действия этой отталкивающей силы сопоставим с радиусом Земли или превышает его, частиц темной материи около планеты просто нет, и физикам нечего детектировать.
Обнаружить гравитационное действие темной материи несложно, например, наблюдая за движением галактик или искажением света, проходящего мимо галактических скоплений. Однако в прямых экспериментах, предполагающих, что электроны или атомные ядра должны рассеиваться на частицах темной материи (пусть и очень слабо), она до сих пор себя не проявила. Полученные экспериментально ограничения на сечения подобных процессов огромны — например, эксперименты на LHC устанавливают верхнюю границу для сечения 10−46 ÷ 10−42 квадратных сантиметров.
Хуман Давудиазл объяснил отсутствие прямых наблюдений темной материи тем, что рядом с Землей ее попросту нет. Ученый предположил, что взаимодействие между частицами темной и обычной материи осуществляется посредством бозона с очень маленькой массой (порядка 10−14 электронвольт), так что между этими частицами возникает сила отталкивания, которая имеет радиус действия, сравнимый с радиусом Земли. Такой подход к описанию взаимодействий используется в теоретической физике с тех пор как Юкава объяснил взаимодействие между адронами с помощью пиона.
В результате вокруг Земли возникает эффективный потенциал, в котором частицам темной материи энергетически невыгодно находиться близко от планеты.
Впрочем, нужно иметь в виду, что статья физика является чисто теоретической и предполагает только один из способов объяснить неудачи экспериментов по прямому детектированию. Более того, в этой статье теоретик не приводит никаких аргументов в пользу существования такой эффективной отталкивающей силы (кроме невероятно малых значений для сечения взаимодействия, полученных в экспериментах) и не вычисляет массу предложенного бозона каким-либо независимым способом. Тем не менее, экспериментально проверить эту гипотезу в принципе можно. Например, учет этого взаимодействия должен привести к поправкам при гравитационном линзировании на скоплениях галактик. Кроме того, если масса бозона достаточно мала и радиус действия сил оказывается сравним с радиусом орбиты Земли, в течение года число прямых регистраций рассеяния частиц темной материи на нуклонах будет изменяться, и эту зависимость можно померить экспериментально. Разумеется, если точность соответствующих экспериментов достигнет необходимой величины.
nplus1.ru, 22 ноября 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/11/22/dark-repulsion
Журнал Physical Review D
Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl). Брукхейвенская национальная лаборатория
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.96.095019
Глава 11-12-6
Физики заподозрили земную кору в «ослеплении» детекторов темной материи
Июль 2018
Датские физики показали, что существующие подземные детекторы темной материи принципиально не могут зарегистрировать сильно взаимодействующую темную материю, поскольку ее частицы рассеиваются и замедляются в земной коре. Статья опубликована в Physical Review D.
В основе конструкции типичного детектора темной материи лежит огромная масса обычного вещества (например, жидкого ксенона), которая постоянно просматривается чувствительными детекторами, способными почувствовать даже очень слабую вспышку света. Расчет заключается в том, что при рассеянии частицы темной материи на частице обычной материи можно точно установить массу частицы, запустившей реакцию. Соответственно, чем больше масса детектора и чем дольше мы ведем наблюдение, тем выше вероятность увидеть рассеяние частицы темной материи. Способы детектирования и химический состав вещества у каждого детектора могут отличаться, однако основная цель всегда одинакова — увеличить массу рабочего вещества и удлинить период наблюдений.
Тем не менее, датские физики-теоретики Тимон Эмкен (Timon Emken) и Крис Куварис (Chris Kouvaris) заметили, что помещение детекторов глубоко под землю может быть как преимуществом, так и недостатком. В самом деле, все такие эксперименты предполагают, что сечение взаимодействия частиц темной материи с частицами обычной материи слишком мало, чтобы километровый слой земли вызвал хоть сколько-нибудь заметное уменьшение их количества. С другой стороны, если сечение будет лежать в промежуточной области, то частицы темной материи будут все так же слабо взаимодействовать с обычным веществом, однако будут рассеиваться и тормозиться по пути к детектору. В этом случае увеличение массы и длительности периода наблюдений не поможет увидеть темную материю.
Физики оценили число частиц, которое сможет зарегистрировать детектор при учете влияния земной коры. Учитывалось не только отражение частиц обратно в космос, но и уменьшение их скорости в результате рассеяния, поскольку из-за особенностей конструкции детекторы могут почувствовать только частицы с достаточно большой кинетической энергией.
Ученые пересчитали ограничения на сечение взаимодействия темной и обычной материи, определенные в известных экспериментах (XENON1T, CRESST и DAMIC). Оказалось, что в диапазоне масс от 0,1 до 20 гигаэлектронвольт и сечениях от 10−25 до 10−47 квадратных сантиметров существует область параметров, которую не могут исследовать существующие подземные детекторы. В диапазоне масс от 0,1 до 0,3 гигаэлектронвольт подземные детекторы в принципе не могут зарегистрировать частицы темной материи, не зависимо от массы вещества и длительности наблюдений. Поэтому авторы статьи призывают строить детекторы не только под землей, но и на поверхности. Вероятно, для большей точности их даже придется запускать в верхние слои атмосферы подобно детектору XQC (X-ray Quantum Calorimeter experiment). При этом экспериментаторам придется придумывать, как избавиться от фонового шума частиц обычной материи
nplus1.ru, 2 июля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/07/02/underground-DM
Журнал Physical Review D. 2018
Тимон Эмкен (Timon Emken) и Крис Куварис (Chris Kouvaris)
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.115047
Глава 11-12-7
Новый детектор не подтверждает наличия темной материи
Январь 2019
Почти 20 лет назад эксперимент DAMA/LIBRA, расположенный в Национальной лаборатории Гран-Сассо, Италия, начал публиковать данные, демонстрирующие изменения сигнала, вызываемых взаимодействием с гало темной материи нашей галактики Млечный путь.
Согласно одной из распространенных моделей, совместное движение Земли, Солнца и самой Галактики вызывает появление «ветра» из темной материи для наблюдателя, находящегося на Земле – а именно, ветра, состоящего из слабо взаимодействующих массивных частиц (ВИМПов), гипотетических частиц темной материи. При движении Земли по орбите вокруг Солнца направление ее движение может то совпадать, то не совпадать с направлением ветра темной материи, и согласно ученым они зафиксировали такое годовое изменение сигнала детектора ВИМПов и зависимость носила косинусоидальный характер.
Проблема с этими результатами состоит в том, что впоследствии они так и не были ни разу воспроизведены исследователями на других экспериментальных установках. С целью однозначно разрешить вопрос с данными, полученными в ходе эксперимента DAMA/LIBRA, был построен эксперимент COSINE-100 («Косинус-100»), в котором были использованы те же детекторы на основе кристаллов йодида натрия, что и в детекторе DAMA/LIBRA. В начальный период работы этого детектора ученые не нашли подтверждения сигналам эксперимента DAMA/LIBRA, однако в настоящее время активная работа с этим детектором продолжается.
astronews.ru, 25 января 2019
Глава 11-12-8
Темная материя существует: Наблюдения не подтверждают альтернативные гипотезы
Май 2019
В одном из недавних исследований существование темной материи было поставлено под сомнение. Однако новая научная работа, проведенная международным институтом SISSA, позволяет разрешить эти сомнения, опровергая универсальность эмпирических соотношений, которые, согласно предыдущим исследованиям, свидетельствовали в пользу альтернативных гипотез. Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal.
В астрономическом масштабе движение объектов происходит почти исключительно под действием гравитации, однако наблюдаемые скорости некоторых небесных тел, например звезд в составе галактик, отличаются от расчетных в большую сторону, если исходить при расчете из массы только лишь видимой материи. Для объяснения этого феномена была предложена гипотеза невидимой, «темной» материи, облака которой окружают собой галактики и оказывают влияние на скорость звезд, входящих в их состав.
«Три года назад коллеги из Университета Кейс Вестерн Резерв привели в своем исследовании доводы, бросающие тень сомнения на существование темной материи, – объясняет Чиара ди Паоло (Chiara Di Paolo), студент докторантуры института SISSA. – Анализируя кривые вращения 153 «классических» спиральных галактик, они получили эмпирическое соотношение между общим гравитационным ускорением звезд (наблюдаемым) и компонентом, который бы мы наблюдали в присутствии только лишь нормальной материи в классической ньютоновской теории».
Для проверки этого соотношения ди Паоло и его коллеги провели анализ кривых вращения галактик других типов, отличных от «классических» спиральных галактик – 72 галактик с низкой поверхностной яркостью и 34 карликовых дисковых галактик. Исследователи получили более представительные результаты, предложив иное соотношение, которое помимо общего гравитационного ускорения и его «нормальной» компоненты также включает радиус галактики и параметры ее морфологии.
Согласно авторам работы, это новое соотношение, полученное ими для выборки из 104 галактик, демонстрирует неточность ранее полученного эмпирического соотношения и позволяет разрешить сомнения относительно присутствия темной материи в галактиках, указывая однозначно на ее существование.
astronews.ru, 6 мая 2019
Журнал Astrophysical Journal. 2019
Чиара ди Паоло (Chiara Di Paolo), студент докторантуры института SISSA.
Глава 11-12-9
Физики предложили схему универсального алмазного детектора темной материи
Июнь 2019
Физики из США и Израиля предложили схему детектора темной материи, в основе которого лежат сверхчистые алмазы. Такой детектор одновременно может отслеживать сразу три типа темных частиц, по-разному взаимодействующих с обычной материей и имеющих разные массы. Из расчетов ученых следует, что чувствительность детектора превышает чувствительность существующих аналогов во всех трех диапазонах. Статья опубликована в Physical Review D, препринт выложен на сайте arXiv.org.
Ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя — несмотря на десятки лет поисков и десятки миллионов потраченных долларов, детекторы так и не смогли поймать ни одной гипотетической темной частицы. Точность некоторых детекторов так высока, что они уже вплотную приблизились к нейтринному фону, ниже которого почувствовать гипотетические частицы в принципе невозможно.
Вероятно, причины этих неудач заключаются в том, что практически все эксперименты по поиску темной материи сосредоточены на вимпах — тяжелых темных частицах, которые появляются в теории наиболее естественным образом. Более легкие частицы от таких детекторов ускользают. Поэтому физики перестраивают эксперименты на другие, менее ожидаемые диапазоны масс. Ученым сложно поверить в то, что материя, пусть и темная, может быть сделана не из частиц.
Поддерживая эту тенденцию, группа ученых под руководством Бласа Кабрера (Blas Cabrera) также разработала прототип детектора, улавливающего частицы темной материи с массой менее одной тысячной массы протона. В основе предложенной схемы лежат алмазные кристаллы, выращенные путем химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD). По сравнению с другими детектирующими материалами, такие алмазы обладают рядом преимуществ. Во-первых, атомы углерода, из которых построена кристаллическая решетка алмаза, имеют небольшую массу (почти в десять раз меньше массы атомов ксенона), поэтому сильнее отклоняются при столкновениях с легкими частицами темной материи. Во-вторых, в алмазе легко распространяются фотоны и фононы. В-третьих, алмаз выдерживает очень сильные электрические поля (до 20 мегавольт на сантиметр). В-четвертых, CVD-алмазы практически не содержат примесей и дефектов. В-пятых, под алмазный детектор можно легко адаптировать техники, разработанные для установок на основе кремния или германия, поскольку все эти полупроводники обладают похожей структурой и свойствами.
Авторы статьи утверждают, что в настоящий момент они уже работают над реальным прототипом детектора — массивами QET-сенсоров, лежащих в основе первого метода детектирования. Единственная проблема, которая может помешать сравниться с другими крупными экспериментами по поиску темной материи (XENON, CDMS, PandaX и так далее) — это высокая стоимость чистых кристаллов, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы. Тем не менее, ученые отмечают, что стоимость изготовления таких кристаллов с каждым годом уменьшается. В частности, уже сейчас килограмм CVD-алмазов можно купить по цене, сравнимой со стоимостью ксенона.
nplus1.ru, 17 июня 2019, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2019/06/17/dark-diamonds
Журнал Physical Review D, 2019
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.99.123005
https://arxiv.org/abs/1901.07569
Глава 11-12-10
Физики использовали все еще живых людей в качестве детектора темной материи
Июль 2019
Физики смогли вывести новые ограничения на параметры частиц темной материи с большой массой, опираясь на факт отсутствия гибели людей от столкновения с ними. Результаты справедливы для класса массивных частиц-кандидатов, которые должны рассеиваться на обычной материи в упругом режиме, препринт статьи на сервере arXiv.org.
На данный момент не существует полноценного объяснения феномену темной материи, а предложенные гипотезы могут использовать принципиально разные явления. Однако наибольшей популярностью среди ученых пользуется предположение о темной материи как о новой форме вещества, состоящей из частиц.
В течение последних лет наибольшей популярностью пользовалась гипотеза вимпов (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, слабовзаимодействующая массивная частица), чья масса сравнима с известными компонентами обычной материи. Однако интенсивные поиски взаимодействий таких объектов с атомными ядрами на специальных детекторах, а также попытки получить их в столкновениях на ускорителях частиц не увенчались успехом, из-за чего данная модель постепенно теряет популярность.
Сложившаяся ситуация заставляет теоретиков обращаться к не изученным ранее областям параметров. Некоторые ученые выдвигают идеи о сверхлегких частицах, таких как аксионы или размытая темная материя, а другие, наоборот, исследуют крупные тела, вплоть до первичных черных дыр с массами порядка солнечной.
В работе американских ученых под руководством Гленна Старкмана (Glenn Starkman) исследуется вопрос о возможности существования частиц темной материи с макроскопическими массами порядка килограмма и производимых ими эффектах. Такие объекты могут быть экзотическими конгломератами известных частиц Стандартной модели.
Подобные объекты, которые называют макросами, должны обладать плотностью порядка ядерной, то есть будут крайне малы даже при заметной для человека массе. Авторы напоминают, что многие диапазоны параметров уже исключены в других работах при помощи реликтового излучения, взаимодействия со светом, активности белых карликов и других явлений. Тем не менее, некоторые области пространства параметров остаются без ограничений.
Исследователи предлагают рассмотреть человеческое тело в качестве детектора, «срабатывание» которого, то есть успешное взаимодействие с темной материей, приводит к смерти. Авторы сравнивают это с попаданием пули в плане выделяемой энергии (не менее 100 джоулей), но отмечают значительную разницу в других параметрах: макросы должны двигаться примерно со скоростью 250 километров в секунду, а сечение взаимодействия составлять порядка квадратного микрона. Соответственно, макросы порождают иные повреждения — вместо заметного отверстия они должны нагревать расположенный вдоль траектории движения участок ткани в форме цилиндра до температуры порядка 10 миллионов кельвин, то есть превращать его в плазму.
Так как во многих странах существует достаточно надежная статистика об отсутствии смертей от подобных повреждений, то это позволяет наложить ограничения на массы макросов. Физики делают вывод, что подобных частиц с массами менее 50 килограмм не может существовать. Если же массы макросов больше, то их концентрация не очень велика и вероятность столкновения с человеком также низка, однако накопление статистики будет улучшать эту оценку.
nplus1.ru, 17 июля 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/07/17/strong-statement
arxiv.org, 2019
Гленн Старкман (Glenn Starkman)
https://arxiv.org/abs/1907.06674
Глава 11-12-11
Ускоритель темной материи облегчит ее поиски
Март 2020
Ученые описали способ увеличения энергии частиц темной материи, что должно облегчить их регистрацию в детекторах. Предложенный метод основан на взаимодействии с ядрами в метастабильных состояниях, которое должно приводить к передаче энергии и ускорению частиц темной материи. Подходящие ядра встречаются как в природе, так и оказываются побочными продуктами работы атомных реакторов и медицинской аппаратуры, пишут в журнале Physical Review D.
На данный момент нет убедительных данных о существовании частиц темной материи, только верхние ограничения на параметры их взаимодействий с обычным веществом. Как правило, эти результаты получены в экспериментах, где физики ищут соударения частиц темной материи с электронами или ядрами обычных атомов, из-за чего последние приобретают заметную скорость и вызывают срабатывание детектора.
Однако частицы в рамках ряда гипотез о природе темной материи, в том числе неупругой темной материи и сильно взаимодействующей темной материи, не должны передавать значительное количество энергии, что делает существующие методы поиска неэффективными. Данные идеи остаются значительно хуже протестированными с помощью опытов по прямому поиску.
Максим Поспелов (Maxim Pospelov) из Института теоретической физики Периметр в Канаде и его коллеги из США предложили способ обойти данное ограничение. Для его реализации необходимо обеспечить взаимодействие низкоэнергетической частицы темной материи с ядром в метастабильном состоянии. В таком случае ядро вернется в основное состояние, а выделившаяся энергия будет распределена между частицей темной материи и излученным фотоном. В результате получается ускоритель для темной материи, который может перевести энергию искомых частиц в подходящий для регистрации диапазон.
Для реализации задумки рядом с обычным детектором темной материи необходимо поместить резервуар с метастабильными ядрами. Необходимо подобрать ядра с малой вероятностью спонтанного перехода в основное состояние, чтобы они могли оставаться метастабильными в течение долгого времени.
Теоретически, такой метод предоставляет три возможности наблюдать искомый сигнал: по излучению фотона при распаде метастабильного состояния, по вторичному рассеянию темной материи в теле детектора или по распаду самой частицы темной материи из-за получения большой энергии.
Авторы называют четыре изомера наиболее подходящими для этой цели: 180mTa, 177mLu, 137mBa и 78mHf. Для времени полураспада тантала существует лишь нижняя граница на уровне 1016 лет, у бария оно равно 2,55 минутам, у лютеция — 160 дням, а у гафния — 31 году. Тантал можно добывать из естественных источников, данный изомер настолько устойчив, что его распад никогда еще не наблюдался, барий накапливается в отходах атомных реакторов, лютеций — в отходах от радионуклидного лечения рака, гафний остался от неудавшихся старых экспериментов по попыткам сохранения энергии в метастабильных изомерах.
nplus1.ru, 2020
https://nplus1.ru/news/2020/03/04/dark-matter-accelerator
Журнал Physical Review D. 2020
Максим Поспелов (Maxim Pospelov) из Института теоретической физики Периметр в Канаде
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.055001
Глава 11-12-12
Новые поиски темной материи предложили вести на старых детекторах
Май 2020
Физики проанализировали возможные механизмы поглощения частиц темной материи и показали, что такие реакции могут регистрировать уже существующие детекторы. Это дает возможность приспособить ряд имеющихся экспериментов для поиска гипотетических частиц и получить новые ограничения на их параметры, почти не прибегая к дополнительным затратам. Текст работы опубликован в журнале Physical Review Letters.
Американская исследовательская группа из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета под руководством Джеффа Дрора (Jeff Dror) представила новый метод поиска гипотетических частиц. Авторы сосредоточились на реакциях поглощения — в отличие от рассеяния, при котором происходит обмен только кинетической энергией, в таких процессах налетающая частица передает мишени (как правило, атомному ядру) еще и свою энергию покоя. Реакцию можно обнаружить по ее продуктам — частицам, рождающимся в результате столкновения. Их характеристики измеряют при помощи специальных детекторов, после чего, используя законы сохранения, определяют тип налетающей частицы и ее свойства.
Ученые исследовали два вида реакций: в одном случае продуктом становится нейтрино, а в другом — бета-частица (то есть электрон или позитрон). При этом для рассмотренных мишеней оба процесса не могут происходить самопроизвольно: для их протекания нужна дополнительная энергия. Последнее позволяет исключить ошибочные сигналы: в таких условиях регистрация нейтрино или бета-частицы на детекторе гарантирует, что в мишень что-то врезалось, и необходимо лишь установить тип налетающей частицы.
По результатам исследования авторы установили, что в реакциях с испусканием нейтрино, которые протекают при участии частиц темной материи, ядро-мишень приобретает строго определенные значения энергии. Это позволит в будущем легко отсеивать лишние данные — то есть снизить фон и улучшить чувствительность экспериментов. Для процессов с участием бета-частиц физики предсказали целую цепочку последующих реакций, которой сопутствует рождение ряда известных частиц. Благодаря этому обнаружить поглощение также становится значительно проще. Кроме того, ученые заключили, что для поиска темной материи по новой методике можно использовать уже существующие детекторы. Их чувствительность позволяет если не обнаружить гипотетические частицы, то, по меньшей мере, получить важные ограничения на их параметры, которые помогут в дальнейших экспериментах. Таким образом, в этой области можно добиться значительного прогресса, затратив минимальные усилия на приспособление установок.
nplus1.ru, 6 мая 2020, Николай Мартыненко
https://nplus1.ru/news/2020/05/06/dark-matter-absorption
Журнал Physical Review Letters, 2020
Джефф Дрор (Jeff Dror)из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.181301
Глава 11-12-13
Новая модель показывает, как выглядела бы темная материя, если бы была видимой
Сентябрь 2020
Фиксировать присутствие темной материи можно только по ее гравитационному влиянию на свет и другие формы материи. Еще больше сложностей добавляет тот факт, что попытки напрямую обнаружить темную материю на Земле до сих пор ни разу не увенчались успехом. Однако астрономы постоянно разрабатывают новые модели темной материи, сравнивая затем их с результатами наблюдения и оценивая таким образом точность модели. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Несмотря на «неуловимость» темной материи, нам кое-что удалось о ней узнать. Нам известно, что она не только темная, но еще и холодная. В результате при формировании сгустков темной материи зарождаются ядра галактических скоплений. Также темная материя формирует гало, окружающие галактики, на которые приходится большая часть массы галактики. Однако до сих пор у нас остается без ответа много вопросов о темной материи, поэтому астрономы постоянно разрабатывают новые модели темной материи, сравнивая затем их с результатами наблюдения и оценивая точность модели.
Команда астрономов из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, во главе с Дж. Вангом (J. Wang) запустила подробное моделирование космоса, в котором доминирует темная материя, и некоторые из результатов этого моделирования оказались весьма неожиданными. В качестве частицы темной материи команда приняла модель слабо взаимодействующей массивной частицы (ВИМПа) массой порядка 100 масс протона. Моделирование показало, что темная материя формирует гало вокруг галактик, как и при реальных наблюдениях Вселенной. Однако гало при этом формировались не только в галактическом масштабе, но и на всех других масштабах, начиная от небольших гало планетного масштаба и вплоть до массивных гало, окружающих скопления галактик. Эти гало имеют схожую структуру – плотное ядро и диффузную оболочку. Тот факт, что формирование гало наблюдается на всех масштабах, делает этот процесс отличительной особенностью темной материи.
Одна из гипотез о природе темной материи предполагает, что при столкновении частиц темной материи формируется гамма-излучение. Для проверки своей модели команда Ванга предлагает оценить соответствие сделанных на ее основе прогнозов об испускаемом гамма-излучении со спектром таинственного дополнительного гамма-излучения, которое было обнаружено недавно со стороны центра Галактики.
astronews.ru, 7 сентября 2020
Журнал Nature. 2020
Дж. Ванг (J. Wang), Гарвард-Смитсоновский астрофизический центр, США
Глава 11-12-14
Новые данные показывают, что модели темной материи расходятся с наблюдениями
Сентябрь 2020
Наблюдения, проведенные при помощи космического телескопа НАСА/ЕКА Hubble («Хаббл») и Очень большого телескопа (Very Large Telescope, VLT), расположенного на территории Чили, показали, что в современных моделях поведения темной материи, вероятно, отсутствует важный компонент. Этот недостающий компонент может объяснить неожиданные расхождения, зафиксированные исследователями при сравнении наблюдений темной материи в скоплении галактик с результатами компьютерного моделирования. Согласно этим находкам, некоторые сгустки темной материи галактического масштаба вызывают эффекты гравитационного линзирования, примерно в 10 раз превышающие ожидаемые значения. Исследование опубликовано в журнале Science.
«Скопления галактик представляют собой идеальные лаборатории для изучения адекватности численных моделей эволюции Вселенной путем сравнения их с картами распределения темной материи, доступными, благодаря гравитационному линзированию света далеких галактик на сгустках темной материи, расположенных внутри скоплений галактик», - сказал главный автор нового исследования Массимо Менегетти (Massimo Meneghetti) из Обсерватории астрофизики и наук о космосе Итальянского национального астрофизического института.
В своей работе Менегетти и его коллеги составили карты распределения темной материи, оценив его по характеру гравитационного линзирования света далеких галактик на близлежащем скоплении галактик. При прохождении сквозь массивное скопление галактик свет, идущий от далекого источника, претерпевает искажения, зависящие от характера распределения массы – которая в основном представлена темной материей – внутри скопления галактик. Астрономы на Земле анализируют характер искажений света далеких галактик на близлежащем скоплении галактик и могут составить по результатам этого анализа карту распределения темной материи в скоплении галактик, играющем роль гравитационной линзы.
Когда Менегетти и его команда изучили линзирование света на скоплениях галактик MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 и Абель S1063, они нашли изображения далеких галактик, искаженные на гравитационных линзах малого масштаба – отдельных галактиках, лежащих близ центров галактических скоплений. В то же время современные компьютерные коды не смогли воспроизвести сгустки темной материи, характеризуемые настолько большой интенсивностью гравитационного линзирования света далеких источников, в масштабе отдельных галактик. Это позволило сделать вывод об отсутствии в современных компьютерных моделях важного фактора, контролирующего распределение темной материи на малых масштабах, отмечают авторы.
astronews.ru,11 сентября 2020
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20200911191943
Журнал Science. 2020
Массимо Менегетти (Massimo Meneghetti) из Обсерватории астрофизики и наук о космосе Итальянского национального астрофизического института.
Глава 11-12-15
Темную материю предложили детектировать с помощью маятников
Октябрь 2020
Американские физики описали способ детектирования частиц темной материи с помощью массива из большого числа (порядка миллиарда) маленьких маятников с массой от нескольких миллиграмм. По задумке ученых, если охладить и изолировать от излучения такой набор маятников, то по их коллективному отклонению можно увидеть траекторию полета темной частицы и зарегистрировать факт ее присутствия в системе. Исследователи предложили методы борьбы с квантовыми шумами и показали, что таким образом можно детектировать частицы темной материи с массой порядка десятков микрограмм и более. Статья опубликована в журнале Physical Review D.
Темной материи нет места в общепринятых моделях, описывающих многообразие частиц и взаимодействий в нашем мире, в том числе в Стандартной модели, что указывает на ее неполноту. Но чтобы подтвердить или опровергнуть новые теории, которые пытаются объяснить существование этого скрытого типа материи, физикам необходимо получить представление о ее свойствах, в первую очередь о массе темных частиц. Поэтому так важно прямое экспериментальное обнаружение темной материи: оно позволило бы не только подтвердить ее существование, но и помочь понять ее природу.
Дэниэл Карни (Daniel Carney) из университета Мэриленд предложил детектировать частицы темной материи с массой больше массы Планка (22 микрограмма или 1,22 × 1019 гигаэлектронвольт в рациональной системе единиц) с помощью массива маленьких маятников. Как показали расчеты Карни и его коллег, для эффективного детектирования частиц темной материи масса груза маятника может варьироваться в диапазоне между микрограммами и граммами, а число маятников в детекторе должно быть порядка миллиарда. Прохождение тяжелой темной частицы через систему равномерно расставленных маятников должно привести их в коррелированное движение, которое можно выделить из общего шума и фона. По величине отклонения маятника можно также судить и о массе детектируемой частицы.
Сложность таких измерений заключается в крайне малом отклонении маятников, сопоставимым с квантовым шумом, а также время взаимодействия: при средней скорости темной частицы в 220 километров в секунду характерное время взаимодействия не превышает 10-8 секунды. Поэтому в такой системе особо важную роль играет система подавления шума, связанного с квантовыми колебаниями, фоновыми событиями и «ошибками» регистрации.
Авторы отмечают схожесть возникающих в такой системе маятников квантовых шумов с теми, с которыми успешно борются на детекторе гравитационных волн aLIGO, ссылаясь на успех последнего. Ученые говорят и об области применимости подобного детектора в рамках современных представлений о темной материи: при такой массе темная частица наверняка не будет элементарной и может представлять собой темное ядро или связанный сгусток темных кварков. Однако при повышении числа маятников в детекторе есть вероятность, что в зону его чувствительности попадут и тяжелые элементарные частицы темной материи в рамках потенциальной теории Великого объединения.
nplus1.ru, 15 октября 2020, Никита Козырев
https://nplus1.ru/news/2020/10/15/dark-matter-pendulums
Журнал Physical Review D, 2020
Дэниэл Карни (Daniel Carney) из университета Мэриленд
Часть 11-13
Поиск легких частиц
Содержание
(том – часть – глава)
11-13-1. CERN превратил Солнце в линзу для аксионного телескопа
11-13-2. В поисках темной материи аксионам остается все меньше шансов на существование
11-13-3. Эксперименты по поиску темных аксионов добрались до проверки теоретических моделей
11-13-4. Физики исследовали коллапс аксионной темной материи на домашнем компьютере
11-13-5. Прототип ABRACADABRA не помог найти темную материю
11-13-6. Новые данные с телескопа EHT исключают существование аксионов в определенном диапазоне масс
11-13-7. Галоскоп ORGAN не нашел аксионов массой от 63 до 67 микроэлектронвольт
11-13-8. Гравитационное линзирование указало на волновую природу темной материи
11-13-9. На DESY стартовал эксперимент ALPS II по поиску аксионов
11-13-10. Физики ограничили ультралегкую темную материю при помощи атомных часов
Глава 11-13-1
CERN превратил Солнце в линзу для аксионного телескопа
Декабрь 2016
18 декабря 2016 года в CERN на солнечно-аксионном телескопе CAST прошел первый сеанс поиска частиц-кандидатов на роль темной материи, излучаемых сверхмассивной черной дырой, расположенной в центре Млечного Пути. Солнце в этот день было точно на линии между Землей и сверхмассивным объектом и могло выступить в роли гравитационной линзы, усиливающей поток частиц от небесного тела в миллиард раз. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.
Аксионы и хамелеоны, которые искал CAST, — одни из вероятных кандидатов на роль частиц темной материи. Хамелеоны, к примеру, меняют свою эффективную массу в зависимости от окружения. Аксионы были введены для того, чтобы объяснить, почему в сильном взаимодействии не нарушается CP-симметрия. Все они очень слабо взаимодействуют с веществом и заметить их можно лишь при определенных условиях. К примеру, считается, что в сильных магнитных полях и аксионы и хамелеоны способны осциллировать в фотоны. Одним из наиболее перспективных источников аксионов физики называли плазму в ядре Солнца.
Именно для поиска солнечных аксионов и был построен CAST. В основе телескопа лежит прототип дипольного магнита коллайдера. Пустая трубка, по которой предполагалось пускать протоны, служит в устройстве зрительной трубой. Аксионы (как и другие возможные кандидаты на частицы темной материи), по замыслу ученых, могут превращаться в сильных магнитных полях в фотоны высоких энергий — рентгеновского диапазона — и регистрироваться соответствующим детектором. До сих пор телескоп не обнаружил следов экзотических частиц.
В новом сеансе наблюдений в роли потенциального источника аксионов и хамелеонов выступала сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики. По словам ученых, она может стать источником частиц, которые человечество сможет детектировать на современном уровне технологического развития. Солнце в этом эксперименте представляет собой гравитационную линзу, которая своим притяжением может искривить траектории пролетающих частиц и увеличить интенсивность их потока вплоть до миллиарда раз. Физики отмечают, что помимо рентгеновских детекторов, в эксперименте использовался еще один чувствительный инструмент — мембрана для поиска хамелеонных частиц.
Сейчас команда телескопа обрабатывает полученные данные, но по предварительной информации, никаких новых частиц от черной дыры прибор не зафиксировал.
nplus1.ru, 20 декабря 2016, Владимир Королёв
https://nplus1.ru/news/2016/12/20/cern-sun-axion-telescope
Пресс-релиз CERN
Глава 11-13-2
В поисках темной материи аксионам остается все меньше шансов на существование
Февраль 2018
В случае если они существуют, аксионы – одни из кандидатов на роль частиц таинственной темной материи – могут взаимодействовать с нормальной материей, формирующей Вселенную, однако в значительно меньшей степени, чем считалось ранее. Новые, строгие ограничения на свойства аксионов были наложены международной командой исследователей эксперимента nEDM.
В результате анализа данных, собранных при помощи эксперимента nEDM (Electric Dipole Moment of Neutron), международная группа физиков показала, что аксионы, гипотетические частицы, которые могут формировать холодную темную материю, если они существуют, должны удовлетворять более строгим требованиям к массе и характеру взаимодействия с нормальной материей. Представленные результаты являются первыми лабораторными данными, накладывающими ограничения на возможные взаимодействия аксионов с нуклонами (то есть протонами или нейтронами) и глюонами (частицами, связывающими кварки в нуклонах).
Недавно физики-теоретики предположили, что в результате взаимодействия аксионов с нуклонами и глюонами могут наводиться возмущения, имеющие характер осцилляций дипольных моментов нуклонов, или даже целых атомов. Поэтому оказалось, что эксперименты типа nEDM могут открыть взаимодействие аксионов с нуклонами и глюонами, если таковое имеет место в действительности. Однако анализ данных, собранных при помощи этого эксперимента, дал отрицательный результат. Была показана невозможность существования аксионов с массами в интервале от 10^-24 до 10^-17 электронвольт (для сравнения, масса электрона составляет примерно полмиллиона электронвольт), рассказал один из членов научной команды эксперимента nEDM Адам Козела (Adam Kozela).
Кроме того, ученые смогли наложить более строгие ограничения на теорию взаимодействия аксионов с нуклонами, уменьшив ключевые параметры возможного взаимодействия в 40 раз. В случае потенциальных взаимодействий с глюонами новые ограничения позволили снизить соответствующие величины более чем в тысячу раз. Поэтому, если аксионы существуют, то современные теоретические модели оставляют им все меньше и меньше возможностей существования.
Astronews, 19 февраля2018
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi
https://www.atomic-energy.ru/news/2018/02/19/83448
Команда исследователей эксперимента nEDM
Глава 11-13-3
Эксперименты по поиску темных аксионов добрались до проверки теоретических моделей
Апрель 2018
Ограничения на параметры гипотетических темных аксионов, определенные с помощью детектора ADMX, впервые достигли области значений, предсказываемых существующими теоретическими моделями. Новые измерения ограничивают параметр аксион-фотонной связи в диапазоне масс от 2,66 до 2,81 микроэлектронвольт величиной около 10−10обратных гигаэлектронвольт. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
К сожалению, экспериментально существование аксионов Стандартной модели подтверждено не было. Тем не менее, несколько альтернативных теорий — например, теория Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова — предсказывают существование так называемых «темных аксионов», которые значительно слабее взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Такие аксионы могут составлять значительную часть темной материи, поэтому важно научиться их детектировать. Пока что все существующие эксперименты по поиску аксионов имеют слишком низкую точность, чтобы проверить какие-либо параметры теорий.
Группе ADMX удалось построить детектор, который должен регистрировать аксионы с достаточно высокой точностью, чтобы проверить предсказания теоретических моделей. Ученые отработали технологию распознавания аксионов с помощью компьютерного моделирования. Для этого они смоделировали аксионы с заданной массой и проверили, что будет видеть детектор.
Всего измерения заняли шесть месяцев и продлились с 18 января по 11 июня 2017 года. Ни одного сигнала, отвечающего аксионам, зарегистрировано не было. Тем не менее, точность измерений оказалась так высока, что позволила установить ограничения на параметр аксион-фотонной связи, который описывает взаимодействие между гипотетическими частицами и фотонами Стандартной модели. Другими словами, если аксионы с массами из рассмотренного диапазона все-таки существуют, теории Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова они не подчиняются.
nplus1, 10 апреля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/04/10/ADMX
ЖурналPhysical Review Letters, 2018
ГруппаADMX
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.151301
Глава 11-13-4
Физики исследовали коллапс аксионной темной материи на домашнем компьютере
Август 2018
Физики-теоретики из Великобритании разработали программу, которая численно моделирует поведение аксионной звезды и требует так мало вычислительных ресурсов, что для ее работы достаточно мощности обычного домашнего компьютера. Ранее для подобных расчетов приходилось использовать суперкомпьютеры. Статья опубликована в Physics Letters B.
Один из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи — это темный аксион, гипотетическая сверхлегкая частица. Теоретические исследования показывают, что аксионная темная материя может образовать устойчивые структуры, связанные силой гравитационного притяжения. В зависимости от того, какие значения массы аксиона и константы распада (характерного масштаба нарушения симметрии) реализуются в природе, такие структуры относятся к одному из трех типов (фаз). Во-первых, они могут быть стабильны на протяжении всего своего существования; в таком случае говорят об аксионных звездах (или бозонных звездах), аналогичным звездам из обычной материи. Во-вторых, темная материя может сжиматься под действием собственной гравитации и превращаться в черную дыру. Наконец, бозонные звезды могут излучать большие количества релятивистских аксионов, напоминая сверхновые из астрофизики или Бозеновы (Bosenova) из физики конденсированного состояния. Как правило, определить, какой именно тип реализуется при заданных значениях параметров, очень сложно — точное решение задачи до сих пор не найдено, а численные расчеты требуют большой вычислительной мощности. Тем не менее, в прошлом году группа ученых под руководством Рикардо Беериль (Ricardo Becerril) выполнила такой расчет с помощью суперкомпьютера COSMOS и построила фазовую диаграмму бозонных звезд.
В новой статье физики Флорен Мишель (Florent Michel) и Ян Мосс (Ian Moss) воспроизвела результат группа Беериль на обычном домашнем компьютере, разработав менее требовательный алгоритм. В основу расчета исследователи положили схему интегрирования в нулевых координатах (null-coordinate integration scheme), придуманную в 1987 году израильскими теоретиками Далей Голдвир (Dalia Goldwirth) и Цви Пираном (Tsvi Piran). В этом методе координатная сетка выбирается таким образом, чтобы наиболее точно ухватить детали коллапса (она «втекает» в объект вместе с коллапсирующей материей). В результате система уравнений поля сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которую, по словам авторов статьи, можно численно проинтегрировать за несколько минут на обычном домашнем компьютере.
В результате исследователям удалось воспроизвести картину, полученную в предыдущей работе — увидеть четкие границы между фазами и тройную критическую точку, в которой сходятся фазы бозонной звезды, черной дыры и Бозеновы. Тем не менее, положение критической точки существенно отличалось от найденного ранее, хотя и совпадало с нерелятивистским пределом. Кроме того, граница между фазами Бозеновой и черной дыры оказалась размытой — конечное состояние звезды сильно зависело от начальных условий, и заранее предсказать его по соседним точкам было невозможно.
nplus1, 27 августа 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/08/27/axion-desktop
ЖурналPhysics Letters B, 2018
Флорен Мишель (Florent Michel) и ЯнМосс (Ian Moss)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269318306312
Глава 11-13-5
Прототип ABRACADABRA не помог найти темную материю
Март 2019
Физики опубликовали детальное описание нового эксперимента по поиску сверхлегких частиц темной материи ABRACADABRA и подвели итоги работы прототипа. Полноценная установка будет чувствительна к сигналу частиц с массами от 10-12 до 10-6 электронвольт, а прототип работал с диапазоном от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт. Такими массами могут обладать несколько кандидатов на роль частиц темной материи, в том числе аксионы. Искомых событий в рамках наблюдений с прототипом найдено не было. Результаты приняты к публикации в журнале Physical Review Letters, препринт статьи доступен на сервере arXiv.org.
До недавнего времени наибольшей популярностью пользовалась модель вимпов (WIMPs, Weakly interacting massive particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). По массе эти частицы должны быть в десятки раз тяжелее протона, однако ни опыты по прямой регистрации, ни эксперименты на коллайдерах не нашли искомых сигналов. Из-за этого многие ученые начали уделять активное внимание альтернативным моделям.
Среди альтернативных вимпам идей есть класс теорий, в рамках которых темная материя состоит из очень легких частиц. В частности, к этому типу относится «размытая» темная материя, массивный темный фотон и аксионы.
К идее аксионов вновь вернулись в контексте темной материи, так как они хорошо вписывались в модель темной материи из легких частиц. В отличие от многих других вариантов, у аксионов должно быть специфическое взаимодействие с электромагнитным полем в определенных условиях, так как аксион и фотон с точки зрения теории оказываются связаны. В частности, в сильных полях одни должны превращаться в другие. Именно это свойство является концептуальной основой экспериментов, называемых «свет сквозь стену»: мощный поток света направляют в магнитное поле перед стенкой, фотоны поглощаются, а аксионы проходят сквозь нее, после чего часть из них превращается обратно в фотоны, которые регистрирует приемник.
В основе эксперимента ABRACADABRA (A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus — широкополосный резонансный подход к поиску космических аксионов с усиливающей сигнал кольцевой установкой, создающей магнитное поле) лежит эффект порождения переменного магнитного поля при попадании аксиона в постоянное поле. В таком случае должно создаваться поле, аналогичное генерируемому переменным током, чей вектор плотности параллелен внешнему полю. Детектором в данном случае является СКВИД-магнитометр, помещенный в центр тороидального магнита. Так как масса аксионов невелика, то и появляющееся поле будет слабое — ученые создавали установку с надеждой зафиксировать колебания на уровне 20 аттотесла, то есть примерно в 1012 раз слабее магнитного поля Земли.
В то время как большинство экспериментом по поиску аксионов искали частицы с массами от 10 до 100 микроэлектровольт, ABRACADABRA чувствительна к еще более легким частицам. Регистраций зафиксировано не было, что позволило установить ограничения на степень спаривания аксиона с фотоном. Данные результаты получены за месяц работы и уже почти достигают по точности оценки более крупного эксперимента CAST.
nplus1.ru, 29 марта 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/03/29/ABRACADABRA
Сервер arXiv.org. 2018
https://arxiv.org/abs/1810.12257
Глава 11-13-6
Новые данные с телескопа EHT исключают существование аксионов в определенном диапазоне масс
Март 2022
Команда исследователей из нескольких институтов Китая и двух институтов Германии проанализировала данные, собранные при помощи телескопа Event Horizon Telescope (EHT), и исключила в результате проведенного анализа существование аксионов в определенном диапазоне масс вокруг черной дыры галактики М87. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy; главный автор Ифань Чен (Yifan Chen).
В новом исследовании ученые обратили внимание на еще одну гипотезу – согласно которой аксионы собираются в облака вокруг черных дыр. До настоящего времени ученые не могли проверить эту гипотезу, поскольку не располагали снимками поляризации света, испускаемого в окрестностях черной дыры. Но ситуация изменилась в прошлом году, когда телескоп EHT сделал снимки черной дыры галактики М87.
Согласно теории, облако аксионов вокруг черной дыры изменяет поляризацию света, испускаемого в ее окрестностях, вызывая флуктуации. Авторам пришлось отфильтровать все другие возможные источники, способные вызвать флуктуации поляризации. В результате авторы пришли к выводу, что остаточный уровень флуктуаций исключает возможность наличия сверхлегких аксионов в облаке. Использованные авторами методы применимы также и к поискам аксионоподобных частиц в окрестностях других черных дыр.
astronews.ru, 21 марта2022
Журнал Nature Astronomy, 2022
ИфаньЧен (Yifan Chen)
Глава 11-13-7
Галоскоп ORGAN не нашел аксионов массой от 63 до 67 микроэлектронвольт
Июль 2022
Австралийские физики отчитались о первой фазе работы эксперимента ORGAN, ищущего тяжелые аксионы с помощью галоскопа. Результат работы ученых исключает рождение аксионов в диапазоне от 63 до 67 микроэлектронвольт, ограничивая таким образом теорию когенеза аксионоподобных частиц, которая описывает один из вариантов темной материи. Исследование опубликовано в Science Advances.
Аксионы — это гипотетически бесспиновые частицы с малой массой, которые появились в физике в качестве решения сильной CP-проблемы, то есть нарушения комбинированной четности в квантовой хромодинамике. Низкая интенсивность взаимодействия аксионов с обычной материей, а также их возможная роль в эволюции ранней Вселенной делают из них хороших кандидатов на роль темной материи. Существуют также теории на основе аксионоподобных частиц, которые отличает более сильное взаимодействие аксионов со светом. Примером таких теорий стали модель когенеза или модели фотофильных и фотофобных частиц.
Несмотря на огромный интерес со стороны физиков, аксионы или аксионоподобные частицы так и не были обнаружены. Отрицательный результат, однако, полезен тем, что отсеивает часть теоретических моделей, которые предсказывают массы частиц в самом разнообразном диапазоне. Поэтому физики продолжают эксперименты, чтобы покрыть ими еще не исследованные значения.
Одним таких экспериментов стал проект ORGAN (Oscillating Resonant Group AxioN), базирующийся в Университете Западной Австралии. Установка ORGAN представляет собой охлажденный до низких температур резонатор, находящийся в магнитном поле, который называется галоскоп. Принцип работы галоскопов основан на обратном эффекте Примакова, который заключается в превращении аксиона в фотон под действием еще одного фотона. Магнитное поле в этом случае выступает в качестве источника этих дополнительных (виртуальных) фотонов, а резонатор призван усилить рождение реальных фотонов на определенных частотах. Частота рождаемого фотона, в свою очередь, определяется массой аксиона или аксионоподобной частицы. Меняя параметры резонатора, физики могут сканировать диапазон в поисках сигнала.
План работы эксперимента ORGAN рассчитан на диапазон от 15 до 50 гигагерц, что соответствует массе аксионов 62 — 207 микроэлектронвольт, однако на первом этапе физики проверили область 15,28 — 16,23 гигагерц (63 — 67 микроэлектронвольт), соответствующую гипотезе когенеза. Правда, они просканировали только 74 процента задуманного диапазона из-за нескольких паразитных частотных полос, вызванных неидеальностью медных цилиндров. Однако в измеренном диапазоне ученые не увидели дополнительных фотонов, надежно исключив для соответствующих масс предсказания теории.
nplus1, 7 июля 2022, Марат Хамадеев
https://nplus1.ru/news/2022/07/07/ORGAN-phase1a
Журнал Science Advances, 2022
Проект ORGAN (Oscillating Resonant Group AxioN)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3765
Глава 11-13-8
Гравитационное линзирование указало на волновую природу темной материи
Апрель 2023
Астрономы сравнили, как модели темной материи на основе тяжелых и легких частиц (вимпов и аксионов) справляются с воспроизведением особенностей, возникающих при гравитационном линзировании. Для этого они обратились к изображению системы HS 0810+2554, которая представляет собой эллиптическую галактику, четырехкратно линзирующую квазар. Исследование показало, что волновая природа аксионов, проявляющаяся для частиц сверхмалой массы, могла бы объяснить различные флуктуации и аномалии на изображениях. Статья опубликована в Nature Astronomy.
Темная материя возникла в астрофизике в ответ на попытку объяснить различные аномалии, наблюдаемые в реликтовом излучении, вращении галактик, гравитационном линзировании и многом другом. Сегодня перед физиками стоит задача воспроизвести феноменологические свойства темной материи из первых принципов, включив в Стандартную модель новые частицы или модифицировав уже известные, и она пока не решена.
Сегодня сделано множество попыток объяснения свойств темной материи. К числу наиболее перспективных гипотез можно отнести ее представление через вимпы — массивные частицы — и через аксионы — легкие частицы. Ни те, ни другие пока не обнаружены напрямую в лабораториях или астрофизических наблюдениях. Эксперименты и симуляции по большей части приводят лишь к отсеиванию диапазонов масс, в которых должны находиться эти гипотетические частицы.
Несмотря на такой дефицит знания о конкретных свойствах частиц темной материи, ученые четко могут выделить качественную разницу в ее поведении для разных гипотез. Так, малость дебройлевской длины волны тяжелых вимпов (обычно более нескольких гигаэлектронвольт) гарантирует их корпускулярное поведение на астрономических масштабах. Вместе с тем, длина волны сверхлегких аксионов (порядка 10−22 электронвольт) сопоставима с размерами галактических гало. В последнем случае волновая природа темных частиц может проявиться в астрономических наблюдениях.
Альфред Армут (Alfred Amruth) из Гонконгского университета вместе с коллегами из шести стран исследовали то, как разница между волновой и корпускулярной темной материей сказывается на эффектах гравитационного линзирования галактиками. Они показали, что аксионная модель лучше воспроизводит аномалии яркости и положения, чем модель с вимпами, которая обычно требует добавления субгало. Астрономы проверили свои расчеты на примере реальных наблюдений.
Модель массивных частиц темной материи допускает неоднородность их плотности во Вселенной. Предполагается, что вимпы концентрируются вокруг центра галактик, формируя галактическое гало. Важно при этом, что флуктуации их плотности не слишком большие в силу характера взаимодействия этих частиц и их массы.
Поведение сверхлегких аксионов на галактических масштабах, напротив, подчиняется квантовомеханическим законам. В частности, область притяжения создает для них потенциальную яму, в которой частицы стремятся занять состояния стоячих волн. Самоинтерференция аксионов допускает существенно большие флуктуации их плотности: от полного нуля до удвоенного значения. С помощью численного моделирования ученые убедились, что такие большие флуктуации существенно сказываются на яркости и положении фонового объекта.
Они применили свои модели к системе HS 0810+2554. Она включает в себя массивную эллиптическую галактику на переднем плане, которая четырехкратно линзирует фоновую галактику-квазар. Ее изображение в видимом диапазоне получил телескоп Хаббл, а в радиодиапазоне — сеть интерферометров EVN.
Задачей моделирования было наилучшим образом предсказать положение на изображении двух джетов в радиодиапазоне и видимой части квазара при четырехкратном линзировании. Это наложило ограничение на распределение радиальной плотности темной материи. Для модели на основе вимпов авторы остановили свой выбор на эллиптическом степенном профиле без внешнего сдвига. При выборе распределения аксионной плотности астрономы отталкивались от этого результата, но учитывали случайным образом сгенерированные интерференционные флуктуации, погашенные на 50 процентов барионным фактором. В сравнение они включили 75 сценариев генерации.
В результате выяснилось, что подход на основе тяжелых частиц все еще неспособен учесть аномалии яркости и положения для HS 0810+2554. Аксионная модель также не смогла дать полного объяснения, однако авторы показали, что в этом случае можно воспроизвести распределение углового разделения между различными элементами из разных сегментов изображения. Кроме того, модель на основе легких части способна воспроизвести отношение интенсивностей джетов, а также аномалию яркости. Астрономы уверены, что их анализ послужит дополнительным аргументом в пользу аксионного подхода к темной материи.
nplus1, 27 апреля 2023, Марат Хамадеев
https://nplus1.ru/news/2023/04/27/wavelike-dark-matter
Nature Astronomy, апрель 2023,
Альфред Армут (Alfred Amruth) Гонконгский университет
https://www.nature.com/articles/s41550-023-01943-9
Глава 11-13-9
На DESY стартовал эксперимент ALPS II по поиску аксионов
Май 2023
В немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II (Any Light Particle Search), призванный обнаружить превращение фотонов в частицы темной материи с малой массой (аксионы). Об этом сообщает сайт DESY.
Установка состоит из двух оптических резонаторов общей протяженностью 250 метров в сильном магнитном поле, достигающем 5,3 тесла. Идея опыта заключается в том, что фотоны из первого резонатора могут превратиться в аксионы, туннелирующие во второй резонатор и превращающиеся там обратно в фотоны.
Физики планируют, что чувствительности детектора будет достаточно, чтобы регистрировать один фотон в день. Однако сначала ученые собираются работать в ослабленном режиме, чтобы понять характер фона. Полная чувствительность будет достигнута во второй половине 2023 года, а в 2024 установку ожидает модернизация.
В первоначальном варианте заметки сообщалось, что DESY — это синхротрон. На самом деле это целый исследовательский комплекс, который включает в себя синхротрон (название DESY расшифровывается как Deutsches Elektronen-Synchrotron). Тем не менее, эксперимент ALPS II не имеет прямого отношения к синхротронному излучению: он лишь использует инфраструктуру и оборудование комплекса.
nplus1, 23 мая 2023, Марат Хамадеев
https://nplus1.ru/news/2023/05/23/alps-ii
сайт DESY
Глава 11-13-10
Физики ограничили ультралегкую темную материю при помощи атомных часов
Сентябрь 2023
Физики из Великобритании получили наиболее жесткие на сегодняшний день ограничения на параметры ультралегкой темной материи. Для этого они использовали данные атомных часов и новый модельно-независимый подход к изучению вариаций во времени этих параметров и других фундаментальных констант. Работа опубликована в журнале New Journal of Physics.
По современным представлениям темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше обычного вещества. Она не участвует в электромагнитных взаимодействиях и поэтому недоступна прямому наблюдению. Наиболее вероятные кандидаты на роль темной материи — вимпы — до сих пор экспериментально не обнаружены. Поэтому ученые рассматривают и другие теории о составе темной материи: от сверхлегких частиц, например, аксионов, до первичных черных дыр.
Ранее ученые уже использовали данные атомных часов для ограничения параметров ультралегкой темной материи с массой менее 10-16 электронвольт. На этот раз физики Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons) с коллегами из университета Сассекса и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне предложили новый модельно-независимый подход к изучению временных вариаций фундаментальных констант при анализе данных атомных часов. При этом количество свободных параметров увеличилось, что по мнению ученых позволит тестировать различные модели и их константы связи.
Чтобы проверить новый подход в действии, физики использовали три типа атомных часов: на основе атомов стронция Sr в решетчатой ловушке, на основе ионов иттербия Yb+ в ловушке Пауля и атомные часы на цезиевом фонтане Cs. Частоты всех часов измерялись относительно водородного мазера, после чего рассчитывались отношения частот Yb+/Sr, Yb+/Cs и Sr/Cs. Это позволило исключить возможные ошибки, связанные с нестабильностью работы мазера из-за изменения параметров окружающей среды. Генерируемые частоты во всех часах зависят от соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона. Поэтому из взаимных измерений частот трех часов можно получить колебания со временем этих констант. Особенностью эксперимента стала независимость измерений от предполагаемой функциональной зависимости констант от времени. Поэтому полученные ограничения могут быть использованы при рассмотрении любых гипотетических моделей.
nplus1, 8 сентября 2023, Дмитрий Рудик
https://nplus1.ru/news/2023/09/08/atomic-clock-constrain-uldm
New Journal of Physics, сентябрь 2023.
Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons). Университет Сассекса и Национальная физическая лаборатория в Теддингтоне
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/aceff6
Часть 11-14
Перспективные проекты поиска темной материи
Содержание
(том – часть – глава)
11-14-1. Сверхпроводники помогут в поиске легких частиц темной материи
11-14-2. «Яркие искры» прольют новый свет на природу темной материи
11-14-3. «Радио для темной материи» поможет найти темные фотоны
11-14-4. Жидкий гелий поможет найти легкую темную материю
11-14-5. Прецессия спина электрона поможет найти аксионы
11-14-6. Гравитационное излучение черных дыр поможет найти ультралегкие частицы темной материи
11-14-7. Темную материю предложили ловить сверхпроводящими нанопроводами
11-14-8. Темную материю предложили искать с помощью «снежковой камеры»
11-14-9. Поляризация света протопланетных дисков укажет на аксионы
11-14-10. Гравитационные интерферометры попытаются поймать легкие частицы темной материи
11-14-11. Аксионы предложили поискать экспериментом с лазерными пучками
11-14-12. Эксперимент DALI: в поисках аксиона, предполагаемой частицы темной материи
11-14-13. Аксионы могут дать начало новой «археологии» Вселенной
Глава 11-14-1
Сверхпроводники помогут в поиске легких частиц темной материи
Май 2015
Американские физики предложили новую идею эксперимента по поиску легких частиц темной материи, которая сможет расширить доступную проверке область масс на 4-5 порядков. Частицы темной материи, пронзая детектор насквозь, изредка сталкиваются с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии. Детектор регистрирует энерговыделение и тем самым фиксирует событие. Их статья выложена в архиве препринтов arxiv.org.
Астрофизические данные показывают, что во Вселенной, помимо обычного вещества (звезд, планет, газопылевых облаков) имеется много темной материи. Она состоит из частиц нового, неизвестного сорта, которые физики безуспешно пытаются зарегистрировать. Стандартный эксперимент по прямому детектированию частиц темной материи выглядит так. Темная материя заполняет собой нашу галактику, и все объекты в ней, включая Землю, как бы «продираются» сквозь встречный поток частиц темной материи. Из-за мизерной вероятности взаимодействия частиц темной материи с веществом мы этот поток не замечаем. Он «дует» и сквозь установленный под землей детектор, заэкранированный от посторонних воздействий. И лишь очень редко какая-то частица темной материи сталкивается с атомом в глубине большого детектора и передает ему небольшую энергию. Если детектор достаточно чувствителен, он сможет это энерговыделение измерить и зарегистрировать событие. Задача экспериментатора — обнаружить хоть один достоверный акт такого столкновения.
Такой метод поиска особенно чувствителен к частицам темной материи с массой, примерно равной массе атомного ядра, то есть около нескольких десятков гигаэлектронвольт. При поиске более легких частиц, с массой меньше массы протона, детектор уже «слепнет». Главная причина здесь — порог чувствительности датчиков. Легкая частица темной материи обладает маленькой кинетической энергией, да еще и передает атому при столкновении лишь мизерную ее часть. Поэтому, несмотря на десятилетия поисков, огромный диапазон на шкале масс частиц темной материи ниже массы легких ядер остается практически непроверенным, хотя теоретически он вполне разрешен.
В статье предлагается создать детектор нового типа, который будет чувствителен к частицам темной материи легче электрона. Основывается эта методика на явлении сверхпроводимости. Удар легкой частицы темной материи непосредственно по электрону (а не по атомному ядру) приведет к выделению энергии меньше одного электронвольта. В сверхпроводнике тогда возникнет долгоживущее возбуждение, которое будет зарегистрировано чувствительным датчиком.
Авторы оценили ожидаемый темп регистрации частиц темной материи разных масс и продемонстрировали, что если этот метод будет реализован, он единым махом расширит доступный исследованиям диапазон на несколько порядков. Конечно, от этой общей схемы и до работающего прототипа лежит длинный путь. Однако авторы статьи надеются, что сам факт принципиальной возможности протестировать легкие частицы темной материи послужит хорошим стимулом для развития технологии.
nplus1, 14 мая 2015, Игорь Иванов
https://nplus1.ru/news/2015/05/14/superconductordarksearch
Архив препринтов arxiv.org.
http://arxiv.org/abs/1504.07237
Глава 11-14-2
«Яркие искры» прольют новый свет на природу темной материи
Февраль 2016
Ученые продвинулись на шаг вперед на пути к обнаружению легких элементарных частиц темной материи, благодаря сверхвысокочувствительному детектору. Две статьи, описывающие эти научные результаты, опубликованы в свежем номере журнала European Physical Journal C.
В новом исследовании ученые европейского научного проекта CRESST-II используют так называемый метод «фононового свечения» для обнаружения темной материи. В своей работе исследователи впервые использовали инновационный детектор с настолько низким порогом срабатывания, что он может обеспечить чувствительность, требуемую для обнаружения прежде не уловимых частиц темной материи.
Экспериментальное обнаружение частиц темной материи напоминает по форме изучение столкновения бильярдных шаров, так как при этом происходит рассеяние частицы темной материи на ядре атома. Этот метод обнаружения частиц темной материи основан на явлении нагрева за счет столкновений кристалла вольфрамата кальция (CaWO4).
Проблема при таком методе исследования состоит в том, что чем легче частица, тем меньше накопленной энергии остается в кристалле после столкновения. Поэтому беспрецедентная чувствительность детектора CRESST-II делает его уникальным инструментом для обнаружения частиц темной материи.
Astronews, 2 февраля 2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8181
Проект CRESST-II
Глава 11-14-3
«Радио для темной материи» поможет найти темные фотоны
Октябрь 2017
Группа экспериментаторов из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработала прототип устройства, предназначенного для детектирования волн темной материи. Это устройство, работающее по принципу радиоприемника, нацелено на поиск частиц темной материи небольшой массы — в первую очередь так называемых темных фотонов и аксионов. О разработке сообщает Symmetry Magazine.
Все существующие детекторы построены в надежде засечь редкое столкновение частицы темной материи с частицей детектора. Но такой подход сработает только если темные частицы имеют достаточно большую массу, и их энергии хватит, чтобы столкновение удалось засечь.
Принцип работы нового устройства, которое авторы называют «радио для темной материи», основан на явлении корпускулярно-волнового дуализма — фундаментального свойства нашего мира, согласно которому все элементарные частицы проявляют также и волновые свойства. Например, фотон является частицей света, но поток фотонов обычно воспринимается как электромагнитная волна — в зависимости от его частоты это может быть свет, СВЧ-излучение, радиосигнал и так далее. Но фотон это все же частица, поскольку попадая на детектор, он всегда вызывает один четкий щелчок, а не нечто «размазанное» в пространстве или времени.
Разработанный прибор будет вести поиски двух конкретных кандидатов в частицы темной материи: темных фотонов и аксионов. Темные фотоны — это гипотетические аналоги привычных нам фотонов, но принадлежащие так называемому темному или скрытому сектору частиц — группе частиц, появляющейся в многочисленных расширениях Стандартной модели элементарных частиц. Аксионы — это также гипотетические частицы из темного сектора, и они могут превращаться в фотоны и обратно в присутствии сильного магнитного поля.
«Радиоприемником» свой прибор авторы называют потому, что принцип его работы похож на принцип работы обычного радио - оно ловит радиоволны при помощи антенны и переводит пойманный сигнал в звук.
Ученые будут медленно перестраивать частоту своего радио, в поисках той частоты, на которой присутствует сильный сигнал темной материи. Поскольку, однако, даже в резонансе сигнал от темной материи ожидается слабым — иначе бы его уже давно засекли — то для увеличения чувствительности детектора используют специальные магнитометры, известные как сверхпроводящие квантово-интерференционные устройства (СКВИД).
В конечном итоге радио будет способно засечь частицы с массой от нескольких ТэВ до нескольких МэВ (эВ — электрон-вольт, единица в которой принято измерять массу элементарных частиц: например, масса электрона около 0,5 МэВ, а масса протона — около 1 ГэВ). Проблема в том, что для этого ему придется работать на частотах от килогерца до гигагерца — то есть в том диапазоне, который активно используется для беспроводной связи.
Одним из преимуществ разработанного устройства по сравнению с другими детекторами заключается в том, что его не надо прятать от космических лучей и зарывать на сотни метров под землю. Местом его размещения станет Стенфордский университет и SLAC.
nplus1.ru, 11 октября 2017, Николай Воронцов
https://nplus1.ru/news/2017/10/11/dark-radio
Журнал Symmetry Magazine. 2017
https://www.symmetrymagazine.org/article/a-radio-for-dark-matter
Глава 11-14-4
Жидкий гелий поможет найти легкую темную материю
Ноябрь 2017
Чтобы зарегистрировать частицы «легкой» темной материи, можно использовать испарение жидкого гелия при низких температурах. Ученые из университета Брауна предложили схему такой установки и показали, что с ее помощью можно найти вимпы с энергиями порядка одного мегаэлектронвольта. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Одним из вероятных кандидатов на роль части холодной темной материи являются вимпы (WIMP, weakly interacting massive particles) — гипотетические частицы, которые могут влиять на обычную материю только через слабое или гравитационное взаимодействия.
Обычно считается, что масса вимпов находится в диапазоне от 1010 до 1012 электронвольт. Однако частиц темной материи с такими массами до сих пор найдено не было. Поэтому были разработаны теоретические модели, из которых следует, что масса гипотетических частиц может быть меньше 10 гигаэлектронвольт, и проводятся эксперименты по поиску легких вимпов. Для этого используются электронные возбуждения полупроводников, сцинтилляции прозрачных кристаллов или тепловой отклик мишени, возникающие при взаимодействии частиц мишени и вимпов.
Авторы статьи предлагают схему эксперимента, аналогичного некоторым способам поиска нейтрино. Суть его заключается в том, что при взаимодействии вимпа или нейтрино с атомами жидкого гелия, находящегося в сверхтекучем состоянии, образуются квазичастицы — фононы и ротоны. Если температура гелия достаточно мала (меньше 0,1 Кельвина), помехами — образованием квазичастиц из-за тепловых флуктуаций можно пренебречь. Эти квазичастицы распространяются в жидкости, если их энергия меньше 0,7 миллиэлектронвольт. Наконец, когда квазичастица достигает поверхности жидкости, в результате квантового испарения (quantum evaporation) из нее вырывается атом гелия.
Затем вырванный из жидкости атом гелия ускоряется с помощью сильного электрического поля (несколько вольт на ангстрем), создаваемого острым наконечником туннельного микроскопа, а момент его попадания на наконечник регистрируется как кратковременное увеличение тока в сети, соединяющей катод и анод. По оценкам ученых, для эффективного детектирования отдельных атомов расстояние между наконечниками в одном массиве должно составлять до двадцати микрометров, а расстояние между самими массивами — до одного миллиметра.
По словам физиков, с помощью такой установки можно зарегистрировать отдельные вимпы с массой около 0,6 мегаэлектронвольт. Несмотря на то, что они не смогли оценить чувствительность, разрешающую способность по времени и энергии, а также другие важные характеристики предложенной ими схемы, авторы считают, что их идеи могут оказаться очень полезными для регистрации легких вимпов. Также ученые отмечают, что подобные детекторы для частиц темной материи можно построить на основе других сред, в которых длина пробега квазичастиц достаточно велика, чтобы мы могли регистрировать их рождение в больших объемах вещества. Все-таки частицы темной и «обычной» материи взаимодействуют очень редко.
nplus1.ru, 3 ноября 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/11/03/light-DM-He
Статья опубликована в Physical Review Letters.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.181303
Глава 11-14-5
Прецессия спина электрона поможет найти аксионы
Июль 2018
Физики-теоретики из Университета Брауна предложили новый способ поиска аксионов, который основан на прецессии спина электронов — ученые показали, что в присутствии аксионов сильное электрическое поле ведет себя аналогично магнитному и заставляет спины частиц поворачиваться. В экспериментах такого типа флуктуации внешних магнитных полей не будут существенно сказываться на результатах. Статья опубликована в Physical Review D и находится в свободном доступе.
Аксионы оказались хорошим кандидатом на роль темной материи — они практически не взаимодействуют с частицами Стандартной модели и имеют массу, хотя и очень маленькую. Правда, наряду с аксионами могут существовать и другие легкие частицы с похожими свойствами, которые не имеют отношения к сохранению CP-инвариантности, но естественным образом возникают в теории струн. В основном поиски полагаются на тот факт, что включение аксионов в Стандартную модель модифицирует уравнения Максвелла и добавляет к ним новое взаимодействие, пропорциональное произведению напряженностей электрического и магнитного поля. Это позволяет экспериментаторам построить «радио для темной материи», в котором вероятность распада аксиона увеличивается за счет настройки резонансной частоты магнитной полости, или использовать другие магнитные эффекты.
В новой статье физики-теоретики Стефон Александр (Stephon Alexander) и Роберт Симс (Robert Sims) предложили принципиально новый способ детектирования аксионов, основанный на их непосредственном взаимодействии с электронами. Для простоты ученые рассмотрели простейшую модель связи между электромагнитным и аксионным полем, включающую в себя один дополнительный бозон Хиггса (extra Higgs singlet).
К преимуществам предложенного метода можно отнести тот факт, что прецессия электронов регулируется в нем величиной электрического поля, а не магнитного — а следовательно, колебания внешних магнитных полей, которые обычно мешают измерить тонкие эффекты, будут меньше сказываться на результатах. Авторы предполагают, что эти поля даже не придется подавлять, чтобы увидеть прецессию. Тем не менее, ученые отмечают, что тепловые флуктуации также будут поворачивать спины электронов в случайных направлениях и мешать измерить прецессию, а потому предполагаемую экспериментальную установку надо будет охлаждать до очень низкой температуры.
На протяжении последних двадцати лет внимание физиков было сосредоточено на тяжелых частицах темной материи (вимпах, WIMP), имеющих массу более десяти гигаэлектронвольт. Тем не менее, все эксперименты по поиску вимпов закончились отрицательно — например, последние данные эксперимента XENON1T практически полностью исключили частицы с массами от 6 до 200 гигаэлектронвольт. Поэтому в настоящее время физики постепенно переключаются на поиски других видов темной материи. Например, в ноябре прошлого года ученые из Университета Брауна предложили схему детектора, основанного на квантовом испарении жидкого гелия и способного увидеть частицы темной материи с массой менее одного мегаэлектронвольта.
nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/07/12/axions-precession
Журнал Physical Review D, 2018
Стефон Александр (Stephon Alexander) и Роберт Симс (Robert Sims) из Университета Брауна
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.98.015011
Глава 11-14-6
Гравитационное излучение черных дыр поможет найти ультралегкие частицы темной материи
Февраль 2019
Физики-теоретики из Нидерландов и Германии предложили искать аксионоподобные легкие бозоны с помощью гравитационного излучения от двойных систем, сливающихся черных дыр. Для этого ученые показали, что облако частиц, которое образуется за счет сверхизлучения черных дыр, может испытывать резонансные переходы и модифицировать гравитационный сигнал. Статья опубликована в Physical Review D, препринт на сайте arXiv.org.
Наземные детекторы такие тонкие детали увидеть не могут. Как правило, когда физики говорят о темной материи, они подразумевают вимпы (WIMP) — слабо взаимодействующие массивные частицы. Поскольку такие частицы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, увидеть их с помощью обычных телескопов нельзя. Вимпы возникают в большом числе теоретических моделей, которые предсказывают, что масса гипотетических частиц составляет не меньше десяти масс протона. К сожалению, увидеть вимпы на практике не смогли. Поэтому физики переключаются на альтернативные теории темной материи.
В частности, некоторые из этих моделей утверждают, что темная материя состоит не из тяжелых, а из невероятно легких бозонов, масса которых не превышает 10-19 масс протона. Как и вимпы, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, однако проявляют себя через гравитационные эффекты — гравитационное линзирование и кривые вращение галактик. Самый известный пример легкого бозона — это аксион, предложенный в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Изначально аксион вводился в Стандартную модель, чтобы «очистить» ее от проблемы сохранения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях, однако на роль частицы темной материи он тоже хорошо подходит. Кроме того, аксионоподобные легкие частицы возникают в теории струн и других альтернативных теориях. Но, к сожалению, зарегистрировать аксионы с помощью наземных детекторов очень сложно.
Физики-теоретики Даниэль Бауманн (Daniel Baumann), Хорн Шэн Чиа (Horng Sheng Chia) и Рафаэль Порто (Rafael Porto) предложили альтернативный способ детектирования легких аксионоподобных частиц. Для этого ученые заметили, что за счет сверхизлучения вокруг вращающихся черных дыр формируются облака сверхлегких скалярных частиц. Теоретически, такие облака могут исказить спектр гравитационных волн, которые испускают двойные системы сливающихся черных дыр. Сейчас ученые могут измерить этот спектр с помощью гравитационных волн можно косвенно подтвердить существование аксионов.
Авторы статьи подчеркивают, что их метод чувствует даже такие частицы, которые связаны с частицами Стандартной модели только гравитационным взаимодействием. Ни один другой эксперимент такие частицы почувствовать не может, хотя они являются идеальным кандидатом на роль темной материи.
Несмотря на то, Physical Review D опубликовал статью только на прошлой неделе, ученые выложили ее препринт еще в апреле прошлого года. Благодаря этому к моменту выхода ее уже успели процитировать 15 раз. Более того, некоторые цитирующие статьи были напечатаны в рецензируемых журналах намного раньше работы Баумана, Чиа и Порто.
nplus1.ru, 11 февраля 2019, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2019/02/11/axionlike-signal
Журнал Physical Review D, 2019
Даниэль Бауманн (Daniel Baumann), Хорн Шэн Чиа (Horng Sheng Chia) и Рафаэль Порто (Rafael Porto)
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.99.044001
Глава 11-14-7
Темную материю предложили ловить сверхпроводящими нанопроводами
Март 2019
Физики предложили новый способ детектирования частиц темной материи. Для его реализации необходимо следить за параметрами очень тонких сверхпроводящих проводов, которые в случае взаимодействия с частицей темной энергии могут нагреться достаточно сильно для потери сверхпроводящего состояния. Авторы идеи изготовили прототип, описание проекта изложено в препринте на сервере arXiv.org.
Согласно наиболее распространенному в современной науке взгляду, темная материя — это специфический вид вещества, которое не взаимодействует электромагнитным образом и поэтому не может быть зафиксировано при помощи наблюдений на обычных телескопах. Существуют альтернативные подходы, которые пробуют объяснить те же самые эффекты посредством модификации известных физических законов или введением новых, но они не справляются с объяснением всех связываемых с темной материей проблем.
Основным затруднением модели темной материи в виде вещества является неизвестная масса составляющих ее частиц. Диапазон рассматриваемых возможностей колоссален: от сверхлегких частиц с массой порядка 10-22 электронвольт до первичных черных дыр с массами в несколько солнечных и более — разброс свыше 60 порядков. Однако наибольшее число работ посвящено разработке модели вимпов — слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle). Эти объекты должны обладать массой порядка массы известных элементарных частиц или в сравнимое количество раз больше, то есть находиться в диапазоне от мегаэлектронвольта до тераэлектронвольта.
Попытками получить подходящие объекты занимаются как на коллайдерах, так и при помощи специальных установок. Однако пока эти поиски не увенчались успехом. В частности, в прошлом году физики отчитались о поисках при помощи детектора XENON1T — искомых событий зафиксировано не было. Отдельные эксперименты, такие как DAMA, улавливают определенный сигнал, но научное сообщество постоянно подвергает сомнению его интерпретацию в качестве свидетельства регистрации частиц темной материи.
Работа сотрудников Еврейского университета в Иерусалиме и Массачусетского технологического института посвящена новому методу обнаружения относительно легких вимпов с массой менее гигаэлектронвольта. Фундаментальный принцип его работы схож с большинством детекторов — заметить прямые соударения частиц темной материи с известными компонентами вещества. Однако, если в большинстве случаев физики пытаются зафиксировать свет, который испускают ядра после получения энергии от вимпа, то в рамках нового подхода предлагается искать повышение температуры.
Новая идея хороша по нескольким причинам. Во-первых, в ней предлагается объединить рабочее вещество, с которым должны взаимодействовать вимпы, и детектор, который измеряет этот эффект. Во-вторых, такой прибор обладает исключительно низким уровнем шумов, так как работает в квантовом режиме при низких температурах. В-третьих, все компоненты для работы такого устройства можно изготовить уже сегодня, так как технологии однофотонных детекторов на основе сверхпроводящих нанопроводов уже разработаны.
nplus1.ru, 20 марта 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/03/20/dark-matter-superconducting-nanowire
Препринт на сервере arXiv.org.
https://arxiv.org/abs/1903.05101
Глава 11-14-8
Темную материю предложили искать с помощью «снежковой камеры»
Апрель 2019
Американские физики предложили ловить легкие частицы темной материи с помощью переохлажденной воды. Чтобы доказать целесообразность такого подхода, ученые два года измеряли отклик переохлажденной воды на различные источники частиц — в результате исследователи доказали, что детектор хорошо чувствует рассеяние частиц на ядрах водорода и практически не замечает ионизирующее излучение. Ученые предложили назвать гипотетический детектор «снежковой камерой» по аналогии с пузырьковой камерой. О своей новой разработке физики сообщили на апрельской встрече Американского физического сообщества, препринт выложен на сайте arXiv.org.
В обычных условиях вода замерзает при нуле градусов по Цельсию, однако ее можно охладить до гораздо более низкой температуры. Дело в том, что сама по себе жидкость замерзнуть не может — чтобы запустить этот процесс, в ней должны быть неоднородности, с которых начнут расти ледяные кристаллы. Следовательно, если тщательно очистить воду от примесей, медленно понижать температуру и беречь ее от внешних воздействий, она будет оставаться жидкой при температурах вплоть до −48 градусов Цельсия. При еще более низких температурах равновесие в жидкости не успевает устанавливаться из-за неустранимых тепловых колебаний. Если же потрясти переохлажденную воду или бросить в нее крупинку соли, она резко начнет кристаллизоваться по всему своему объему. Более того, в результате замерзания переохлажденной воды высвобождается энергия плавления льда — следовательно, чтобы запустить переход, практически не требуется затрачивать энергию. Поэтому такую систему называют метастабильной.
Благодаря низкому энергетическому порогу метастабильные системы можно использовать в качестве детекторов частиц. Собственно, первый в истории человечества детектор, камера Вильсона, работал именно по этому принципу — только вместо переохлажденной воды в нем использовался перенасыщенный пар.
Группа физиков под руководством Мэтью Шидагиса (Matthew Szydagis) предложила идею нового детектора, основанного на кристаллизации переохлажденной жидкости. Они рассмотрели эту идею по нескольким причинам. Во-первых, молекулы воды содержат легкие молекулы водорода, которые идеально подходят для поиска частиц темной материи массой порядка одного гигаэлектронвольта. Во-вторых, в настоящее время существуют методики, с помощью которых можно быстро и дешево очистить сравнительно большие объемы воды. В-третьих, в отличие от пузырьковой камеры, кристаллизация воды не приводит к резкому изменению давления, поэтому оставшийся объем жидкости продолжает следить за столкновениями частиц. По аналогии с «туманной» и пузырьковой камерой физики предлагают назвать гипотетический детектор «снежковой камерой» (snowball camera).
Ученые считают, что детектор, построенный на основе этой технологии будет сравним с существующими детекторами на основе пузырьковой камеры. Детектор массой сто килограмм, работающий на протяжении трех месяцев, будет на два порядка превосходить рекордную чувствительность детектора DarkSide.
nplus1.ru, 15 апреля 2019, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2019/04/15/snowball-chamber
Сайт arXiv.org. 2018
Мэтью Шидагис (Matthew Szydagis)
https://arxiv.org/abs/1807.09253
Глава 11-14-9
Поляризация света протопланетных дисков укажет на аксионы
Май 2019
Японские физики предложили новый метод поиска аксионов, основанный на колебаниях поляризации протопланетных дисков. Ученые вывели уравнение, которое связывает угол отклонения поляризации, массу аксиона и константу его связи с фотоном, а затем подставили в него значения, отвечающие диску вокруг звезды AB Возничего. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт на сайте arXiv.org.
Раньше основным кандидатом на роль темной материи выступали вимпы (WIMP) — сверхтяжелые частицы с массой не меньше десяти масс протона, которые взаимодействуют с частицами обычной материи через обмен векторными бозонами (фотоны в таких реакциях не рождаются, поэтому материя выглядит «темной»). Однако из-за отсутствия экспериментальных подтверждений эта гипотеза постепенно стала терять популярность. Более того, теория с вимпами приводит к расхождениям между расчетами и наблюдаемой картиной распределения темной материи (проблема острого гало). Некоторые физики попытались объяснить неудачи экспериментов по поиску вимпов новыми короткодействующими силами или отказались от темной материи, заменив ее частицами с отрицательной массой.
Менее радикальные теории предполагают, что темная материя состоит из сверхлегких аксионоподобных частиц. Кроме того, похожие сверхлегкие частицы естественным образом возникают в теории струн.
Основные свойства, на которые полагаются такие эксперименты — это взаимодействие аксионов с фотонами и осцилляция аксионного поля с частотой, пропорциональной его массе. Эти свойства приводят к двум интересным эффектам. Во-первых, аксионы, помещенные в сильное магнитное поле, превращаются в фотоны. Во-вторых, на фоне осциллирующего аксионного фона плоскость поляризации фотонов поворачивается и лучи света расщепляются. Первый эффект используется в галоскопе — «радио» для темной материи, в котором физики пытаются подобрать резонансную частоту магнитного поля и усилить рождение фотонов. В настоящее время такие установки уже работают. Схема эксперимента, основанного на втором эффекте, была разработана группой японских ученых под руководством Юта Митимура (Yuta Michimura), однако воплотить ее в жизнь пока не удалось.
Теперь же японские исследователи во главе с Кендзи Тома (Kenji Toma) предложили косвенный метод детектирования аксионов, основанный на измерении поляризации протопланетных дисков. Протопланетные диски выбрали по ряду причин. Во-первых, большая часть излучения диска возникает из-за рассеяния света центральной звезды на его частицах (поэтому диск кажется ярким). Во-вторых, свет протопланетного диска линейно поляризован перпендикулярно его плоскости. И если окружающая диск темная материя состоит из аксионов, она будет изменять его поляризацию предсказуемым способом. Наконец, характерный размер протопланетного диска составляет порядка ста астрономических единиц. С одной стороны, это позволяет разрешить диски на расстоянии до ста парсек с помощью наземных телескопов. С другой стороны, даже такой огромный диаметр меньше длины волны де Бройля аксиона — следовательно, поляризация всего диска будет поворачиваться одинаково.
nplus1.ru, 17 мая 2019, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2019/05/17/proto-axion
ЖурналPhysical Review Letters, 2019
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.191101
https://arxiv.org/abs/1811.03525
Глава 11-14-10
Гравитационные интерферометры попытаются поймать легкие частицы темной материи
Сентябрь 2019
Японские физики предложили использовать гравитационные детекторы для поиска частиц темной материи. Предполагается, что при столкновениях с гипотетическими частицами зеркала детекторов должны немного отклоняться. По словам ученых, с помощью нового метода можно ужесточить ограничения на сечение рассеяния легких темных частиц, масса которых не превышает одной пятой от массы протона. Препринт доступен на сайте arXiv.org.
Когда сквозь Землю проходит гравитационная волна, все ее объекты практически незаметно растягиваются и сжимаются. Например, если волна была испущена при слиянии двух черных дыр с массой порядка нескольких масс Солнца, то относительное изменение длины объектов составит около 10−21. Почувствовать такое растяжение с помощью обычных приборов практически невозможно, однако гравитационные детекторы LIGO и Virgo с этой задачей справляются.
Группа физиков под руководством Масаки Мори (Masaki Mori) предложила использовать невообразимую чувствительность гравитационных детекторов для поиска частиц темной материи. В основе нового метода лежит следующая идея. Поскольку Земля движется относительно центра галактики со скоростью около 200 километров в секунду, а гало темной материи в первом приближении неподвижно, нашу планету постоянно продувает ветер из темных частиц. Если сечение взаимодействия этих частиц с частицами обычной материи конечно, то они могут сталкиваться с атомами зеркала, передавать зеркалу импульс и искажать интерференционную картину гравитационного детектора. Следовательно, из сигнала можно выделить ограничения на частоту таких столкновений, сечение и массу темных частиц.
Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных в разных интерферометрах (LIGO, Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического телескопа Эйнштейна), ученые оценили форму сигнала, который возникает после столкновения темной частицы и зеркала. Сигнал выглядел как резкий пик, расположенный на соответствующей резонансной частоте.
Чтобы проверить это предположение, ученые теоретически рассмотрели столкновение темной частицы и цилиндрического зеркала. Вообще говоря, такое столкновение может возбудить два принципиально разных типа колебаний. Во-первых, частица подталкивает зеркало и заставляет его качаться (чтобы снизить воздействие вибраций, зеркала гравитационного интерферометра подвешивают на тонких стеклянных нитях). Во-вторых, она заставляет его дрожать, словно желе. Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных на интерферометрах LIGO и Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического ученые оценили форму сигнала, возникающего после столкновения темной частицы и зеркала. Для обоих типов колебаний сигнал выглядел как довольно резкий пик на соответствующей резонансной частоте.
Хотя пока ни один детектор темной материи не поймал гипотетические частицы, физики продолжают улучшать существующие экспериментальные установки и разрабатывать новые. Впрочем, фокус этих разработок постепенно смещается в сторону легких частиц темной материи, для которых существующие ограничения пока недостаточно жестки.
nplus1.ru, 11 сентября 2019, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2019/09/11/WIMPs
Препринт доступен на сайте arXiv.org.
Масаки Мори (Masaki Mori)
https://arxiv.org/abs/1909.00654
Глава 11-14-11
Аксионы предложили поискать экспериментом с лазерными пучками
Май 2020
Физики разработали новый метод поиска гипотетических частиц темной материи в лаборатории. Они предлагают получать аксионы в столкновении двух интенсивных лазерных пучков — чувствительность такого опыта сравнима с астрофизическими экспериментами, в то время как его результаты в меньшей степени зависят от используемой модели. Статья опубликована в журнале Physical Review D.
Ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя — ни одну из гипотетических частиц, существование которых предсказывает теория, зарегистрировать на детекторах пока не удалось. Эксперименты в этой области имеют сегодня большую значимость — несмотря на результаты, они позволяют получить ограничения на неизвестные характеристики частиц темной материи, скорректировать теорию и сузить область последующих поисков.
Британские физики под руководством Константина Бейера (Konstantin A. Beyer) из Оксфордского университета предложили свой подход для поиска аксионов — так называется вид гипотетических частиц, который вводится в одной из наиболее известных теоретических моделей для решения проблемы в квантовой хромодинамике. Исследователи рассмотрели возникновение аксионов при столкновении двух лазерных пучков (которые состоят из фотонов) высокой интенсивности. Рождающиеся таким образом частицы в предлагаемом сценарии проходят через препятствие (стенку) и под действием магнитного поля снова превращаются в фотоны, которые попадают в детектор. Поскольку на пути лучей лазеров находится препятствие, обнаружение фотона по другую сторону стенки в отсутствие шума означает регистрацию аксиона. На практике же схема опыта позволяет проверять надежность таких событий: для этого достаточно испускать излучение короткими импульсами и синхронизировать их с работой детектора.
Авторы установили, что по качеству предложенный эксперимент может соревноваться с другими опытами по поиску темной материи. В частности, при достаточно долгой выдержке (примерно одни сутки на один угловой шаг) его чувствительность сопоставима с солнечным телескопом лаборатории CERN и достигает характеристик аксионов, которые предсказывает квантовая хромодинамика. Вместе с тем опыт опирается на меньшее количество теоретических допущений — это делает методику более надежной в сравнении с альтернативными подходами.
Качество эксперимента можно повысить благодаря развивающимся технологиям по созданию лазерных установок: с ростом количества фотонов в пучке одновременно увеличивается вероятность рождения аксионов. Кроме того, для усиления наблюдаемых эффектов можно использовать неоднородное магнитное поле и регулировать показатель преломления среды, в которой происходит превращение гипотетической частицы в регистрируемую. Последние факторы не учитывались в исследовании, поэтому вычисленные оценки чувствительности являются лишь нижними ограничениями — на практике, по мнению ученых, результаты могут оказаться значительно лучше.
nplus1.ru, 27 май 2020, Николай Мартыненко
https://nplus1.ru/news/2020/05/27/axion-detection
Журнал Physical Review D. 2020
Константин Бейера (Konstantin A. Beyer) из Оксфордского университета
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.095018
Глава 11-14-12
Эксперимент DALI: в поисках аксиона, предполагаемой частицы темной материи
Май 2021
Канарский астрофизический институт (Instituto de Astrofísicade Canarias, IAC) войдет в состав международной коллаборации, разрабатывающей эксперимент DALI (Dark-photons & Axion-Like particles Interferometer), телескоп для поисков темной материи, научная цель которого будет состоять в поисках аксионов и парафотонов в диапазоне от 6 до 60 гигагерц. Концептуальный прототип находится в настоящее время на этапе разработки и производства в институте IAC. Исследование опубликовано в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Предсказанный теорией в 1970-е гг., аксион представляет собой гипотетическую частицу небольшой массы, которая слабо взаимодействует с обычными частицами, такими как нуклоны и электроны, а также фотоны. Для обнаружения аксионов используются все эти возможные взаимодействия, попытки регистрации которых проводятся при помощи различных научных инструментов. Один из перспективных методов состоит в изучении взаимодействия между аксионами и обычными фотонами.
В первых детекторах аксионов, построенных в 80-е и 90-е гг. прошлого столетия, была использована полость для резонанса, усиливающая внутри сверхпроводящего магнита слабый микроволновой сигнал, который ожидалось наблюдать со стороны аксиона, до достижения мощности, соответствующей нижнему пределу обнаружения современных научных инструментов. К сожалению, размер этой полости обратно пропорционален частоте, на которой производится сканирование, и для аксиона размер этой полости оказывался слишком мал при работе на частотах свыше 6 гигагерц.
Поэтому в этом новом эксперименте были собраны воедино наиболее перспективные методы сканирования на высоких частотах и воплощены в практичной конструкции, к которой также были добавлены возможности детектора космических частиц для целей поисков гипотетической аксионной темной материи. Поэтому инструмент DALI включает мощный сверхпроводящий магнит, аксионный детектор с резонатором новой конструкции, способным усилить слабый сигнал аксиона, а также альтазимутальную установку, которая позволит сканировать при помощи этого телескопа объекты и участки неба в поисках темной материи, пояснили авторы работы.
astronews.ru, 2 мая2021
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20210502101911
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Хавьер Де Мигель (JavierDeMiguel), исследователь из IAC
Глава 11-14-13
Аксионы могут дать начало новой «археологии» Вселенной
Июнь 2021
Обнаружение гипотетической частицы, называемой аксионом, может помочь разобраться в тех процессах, которые протекали во Вселенной в течение первой секунды после Большого взрыва, указывается в новом исследовании. Публикация увидела свет в журнале Physical Review D.
Наблюдения в электромагнитном спектре космического микроволнового фонового излучения, иначе называемого реликтовым излучением, позволяют нам «просмотреть» почти 14 миллиардов лет существования Вселенной, вплоть до того периода, когда Вселенная остыла до температур, при которых становится возможным соединение электронов и протонов с формированием нейтрального водорода. Реликтовое излучение позволило нам получить огромное количество информации об эволюции космоса, однако фотоны этого излучения были испущены через 400 000 лет после Большого взрыва, что делает чрезвычайно трудным изучение отрезка истории Вселенной, предшествующего этой отметке.
Чтобы заглянуть за эту «вуаль», в новом исследовании астрономы во главе с Джефом А. Дрором (Jeff A. Dror) предлагают обратить внимание на аксионы, гипотетические частицы, которые могли быть испущены в течение первой секунды существования Вселенной.
Существование аксионов вытекает из теории струн – современной физической теории, которая может стать основой для создания теории квантовой гравитации. Кроме того, считается, что аксион может являться неуловимой частицей темной материи – таинственной невидимой субстанции, наполняющей нашу Вселенную и взаимодействующей с нормальной материей лишь гравитационно.
Авторы рассматривают возможность существования аксионного аналога реликтового излучения, который они назвали Космическим аксионным фоном (Cosmic axion Background, или CaB). Дрор и его коллеги отмечают, что по мере разработки более чувствительных инструментов для поисков темной материи экспериментаторы могут столкнуться с еще одним проявлением присутствия аксионов – в форме CaB. Поскольку свойства CaB схожи со свойствами аксионов темной материи, существует опасность, что сигнал CaB будет отфильтрован как шум.
Обнаружение сигнала CaB станет «двойным открытием». Оно позволит не только подтвердить существование аксиона, но и получить ценные сведения об истории эволюции Вселенной. В зависимости от того, в результате какого процесса был произведен сигнал CaB, исследователи могут получить новые данные о различных аспектах развития Вселенной, которые были прежде недоступны.
astronews.ru, 8 июня2021
https://www.astronews.ru/cgi-
Журнал Physical Review D.
Часть 11-15
Экзотические теории ТМ
Содержание
(том – часть – глава)
11-15-1. Физики нашли в темной материи темные атомы
11-15-2. Темное излучение. Справка
11-15-3. Темный электромагнетизм помог темной материи сколлапсировать
11-15-4. Механизм Хиггса поможет объяснить существование темной материи
11-15-5. Темную материю и темную энергию заменили отрицательной массой
11-15-6.
11-15-8. Около Нейтрино начался поиск стерильных нейтрино
11-15-9. Сверхтекучая темная материя не выдержала проверку Млечным Путем
11-15-10. Новая элементарная частица может оказаться «атомом» темной материи
11-15-11. Связь темной материи и нейтрино не подтвердилась
11-15-12. Эксперимент не обнаружил никаких признаков стерильных нейтрино
11-15-13. Физики предложили искать темную материю с помощью детекторов гравитационных волн
Глава 11-15-1
Физики нашли в темной материи темные атомы
Сентябрь 2009
Физики предложили новое объяснение структуре темной материи - по их мнению она состоит не из элементарных частиц, а из своего рода темных атомов. Статья ученых еще не принята к публикации, однако ее препринт доступен на сайте arXiv.org. Краткое изложение препринта приводит physicsworld.com.
В рамках новой теории ученые предлагают, что частицы темной материи не являются элементарными частицами. Вместо этого их нужно рассматривать как темные атомы, состоящие из темных протонов и темных электронов, которые удерживаются в атоме темным аналогом электромагнетизма.
Подобный подход позволяет объяснить результаты, полученные итальянским экспериментом DAMA, который проходил с 1996 по 2002 годы. В рамках этого эксперимента ученые установили, что в результате взаимодействия WIMP нарушается закон сохранения энергии. Новая теория позволяет объяснить это нарушение тем, что часть энергии уходит на темные внутриатомные взаимодействия.
Сами исследователи признают, что их теория далеко не идеальна. Так, например, чтобы избежать противоречий, ученым приходится предполагать, что гало ионизированной и обычной темной материи отличаются по форме.
lenta.ru, 22 сентября 2009
https://lenta.ru/news/2009/09/22/darkmatter/
arxiv.org
http://arxiv.org/abs/0909.0753
Глава 11-15-2
Темное излучение. Справка
Темное излучение (также темный электромагнетизм) — это постулируемый тип излучения, который опосредует взаимодействия темной материи. По аналогии с тем, как фотоны опосредуют электромагнитные взаимодействия между частицами в Стандартной модели (называемой барионной материей в космологии), темное излучение предлагается опосредовать взаимодействия между частицами темной материи.
Подобно частицам темной материи, гипотетическое темное излучение не взаимодействует с частицами Стандартной модели. Не было никаких заметных доказательств существования такого излучения;барионная материя содержит несколько типов взаимодействующих частиц, но неизвестно, есть ли они в темной материи.
Данные о космическом микроволновом фоне могут указывать на то, что число эффективных степеней свободы нейтрино превышает 3,046, что немного больше стандартного случая для трех типов нейтрино.Эта дополнительная степень свободы может возникнуть из-за наличия нетривиального количества темного излучения во Вселенной.Одним из возможных кандидатов на темное излучение является стерильное нейтрино.
Глава 11-15-3
Темный электромагнетизм помог темной материи сколлапсировать
Февраль 2018
Темная материя может формировать сложные объекты, аналогичные звездам или карликовым галактикам, если предположить, что ее частицы теряют энергию из-за гипотетического темного электромагнитного взаимодействия. Физики из университета Ратгерса показали, что он не противоречит существующей теории холодной темной материи, поскольку масса образуемых объектов не превышает определенной величины. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Темной материи в нашей Вселенной примерно в пять раз больше, чем барионной, но обычная материя гораздо сложнее своего темного аналога. Конечно, некоторые теории предсказывают и более сложные структуры, состоящие из темной материи — например, первичные черные дыры или аксионные звезды, — однако встречаться такие объекты должны сравнительно редко.
А вот обычная, барионная материя повсеместно образует объекты с гораздо более сложной структурой — начиная от спиральных галактик и заканчивая звездами и планетами. Это обусловлено тем, что барионы теряют часть своей энергии благодаря электромагнитному взаимодействию и глубоко «проваливаются» в гравитационный потенциал. А даже в моделях темной материи с взаимодействием частицы не способны терять энергию, а могут только перераспределять ее. Если бы это было не так, форма гало, окружающих галактики, сильно бы исказилась, и астрономы бы это увидели.
Механизм охлаждения барионной материи хорошо работает только в определенном диапазоне масс коллапсирующих объектов. При увеличении массы объекта растет его гравитационная энергия, а следовательно, увеличивается энергия частиц, входящих в его состав. Из-за этого они становятся менее чувствительны к потерям энергии на электромагнитное излучение, и коллапс осложняется. В результате образование сложных структур происходит только для объектов с массой не больше 1012 масс Солнца, а на бо́льших масштабах скопление галактик представляет собой сферически симметричное облако с вложенными в него галактиками.
Физики Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) использовали эту лазейку, чтобы заставить темную материю терять энергию и формировать сложные структуры, но оставаться однородной на больших масштабах. Для этого они предложили простую модель, в которой частицы темной материи оказываются заряжены гипотетическим темным электромагнитным взаимодействием.
Ученые рассчитали, какую максимальную массу могут иметь сложные объекты из темной материи. По оценкам физиков в окружающем Млечный Путь гало могут содержаться образования из темной материи с массой, сравнимой со сверхмассивными звездами или карликовыми галактиками. Но не более двух процентов от суммарной массы гало.
Они не первыми предложили использовать темный электромагнетизм в качестве механизма охлаждения, который приводит к формированию сложных объектов из темной материи. Но они первыми показали, что такой механизм эффективен только при определенных значениях массы коллапсирующей темной материи.
nplus1, 5 февраля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/02/05/dark-collapse
Статья опубликована в Physical Review Letters
Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) из университета Ратгерса
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.051102
Глава 11-15-4
Механизм Хиггса поможет объяснить существование темной материи
Март 2018
Физики-теоретики из Испании и Швейцарии показали, что форма потенциала Хиггса может быть ответственна не только за распад ложного вакуума (который может привести к исчезновению привычной для нас Вселенной), но и за образование темной материи на ранних этапах жизни Вселенной. Если бы темной материи не было, звезды не смогли бы собраться в галактики, и Вселенная имела бы совершенно другую структуру. Интересно, что предложенный учеными способ возникновения темной материи не требует физики вне Стандартной модели. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Частицы Стандартной модели приобретают массу благодаря механизму Хиггса — спонтанному нарушению электрослабой симметрии, которое происходит из-за особенной формы потенциала Хиггса. Грубо говоря, в квантовой теории поля частицы представляют собой колебания полей (например, фотоны — это колебания электромагнитного поля), энергию которых нужно отсчитывать от определенного минимума. Такое минимальное энергетическое состояние называют вакуумом. Для большинства полей Стандартной модели вакуум отвечает нулевому полю, то есть отсутствию частиц (потенциал вида «ямка»). Но минимум потенциала Хиггса лежит не в нуле, а в области энергий порядка ста гигаэлектронвольт — в результате все пространство оказывается пронизано полем Хиггса, которое имеет почти постоянную напряженность и затрудняет ускорение обычных частиц, придавая им массу. Бозон Хиггса, который отвечает колебаниям поля Хиггса около минимального состояния, тоже оказывается массивным, поскольку поле взаимодействует само с собой.
Однако, несмотря на то, что потенциал Хиггса имеет минимум при энергиях около ста гигаэлектронвольт, этот минимум не глобальный. При больших энергиях потенциал снова загибается вниз, и в нем образуется еще одна ямка, глубина которой больше, чем глубина ямки, в которой мы живем. Из-за этого наш вакуум «ложный» — рано или поздно поле Хиггса свалится в по-настоящему минимальное состояние, и его колебания нужно будет отсчитывать от истинного вакуума. Поскольку поле не может изменить свое состояние одновременно во всем пространстве, физически такой переход будет выглядеть как образование и последующее расширение пузырей истинного вакуума в ложном. Этот процесс называют распадом ложного вакуума. Очевидно, что в ходе распада ложного вакуума выделится огромная энергия, которая возьмется из разницы высот между ямками и привычная Вселенная перестанет существовать. Но из-за большой высоты барьера, разделяющего ямки, вероятность этого процесса очень мала, и характерное время жизни ложного вакуума превышает текущий возраст Вселенной. Говорят, что ложный вакуум метастабилен.
Однако во время инфляции — периода, когда размеры Вселенной увеличились в огромное число раз за считанные доли секунды, это могло быть не так. Если эффективная масса поля Хиггса (грубо говоря, масса бозона Хиггса) окажется сравнима со скоростью ее расширения, которая задается параметром Хаббла, то квантовые флуктуации будут выдергивать поле из метастабильного состояния. В результате будут возникать пузыри истинного вакуума, которые станут расширяться со скоростью света и вскоре заполнят весь объем Вселенной. Но мы до сих пор продолжаем жить в ложном вакууме, даже спустя 13 миллиардов лет после инфляции.
В новой статье физики-теоретики Хосе Эспиноса (José Espinosa), Давиде Ракко (Davide Racco), и Антонио Риотто (Antonio Riotto) показали, что поле Хиггса может «откатиться» обратно в метастабильное состояние в результате последовавшего после инфляции разогревания Вселенной (reheating). При этом временное образование пузырей истинного вакуума не будет сказываться на спектре реликтового излучения, поскольку они будут иметь заметный размер только на поздних этапах инфляции — это объясняет, почему астрономы не заметили этот процесс. Более того, предложенный учеными механизм позволяет объяснить возникновение темной материи.
Для начала ученые показали, что быстрое расширение действительно может «выдернуть» поле Хиггса из ложного вакуума и пространство заполняется пузырьками истинного вакуума. Одновременно в нем возникают колебания поля относительно нового вакуума, которые разрастаются со временем. Правда, значительного размера эти структуры достигают только к концу инфляции, когда они уже успели покинуть радиус Хаббла, а значит, увидеть их мы не сможем.
Когда инфляция заканчивается, вакуумная энергия инфлатонного поля переходит в тепловые релятивистские степени свободы — Вселенная заполняется частицами Стандартной модели, а ее температура существенно увеличивается. Из-за этого потенциал Хиггса получает температурные поправки, которыми нельзя пренебречь. Более того, если температура оказывается больше эффективной массы поля, оно «откатывается» обратно в метастабильное состояние. Поскольку теперь Вселенная расширяется гораздо медленнее, полю приходится преодолевать барьер «по-честному», и вероятность его перехода в истинный вакуум уменьшается на много порядков.
Наконец, после окончания инфляции, когда радиус Хаббла достаточно сильно увеличится, возникшие в ее ходе флуктуация поля приведут к образованию первичных черных дыр. По оценкам ученых, масса таких дыр будет составлять всего 10−15 масс Солнца, но их будет так много, что суммарный вклад в массу Вселенной будет сравним с текущим вкладом темной материи. В дальнейшем черные дыры будут сливаться друг с другом, и их масса будет увеличиваться, приближаясь к текущим экспериментальным оценкам.
Таким образом, поле Хиггса может быть ответственно не только за массу всех элементарных частиц, но и за образование темной материи на ранних этапах жизни Вселенной. Но если бы не было темной материи, крупномасштабная структура Вселенной была бы совершенно другой — галактики попросту не смогли бы образоваться, поскольку притяжения обычной материи для этого недостаточно. Получается, что поле Хиггса отвечает за существование Вселенной в привычном для нас виде — и за дальнейшее ее уничтожение в ходе распада ложного вакуума. Примечательно, что такое объяснение не выходит за пределы Стандартной модели.
Это утверждение имеет и более философский смысл. С одной стороны, форма потенциала Хиггса такова, что рано или поздно ложный вакуум перейдет в истинный, и привычный для нас мир будет уничтожен. С другой стороны, если бы форма этого потенциала была другой, темная материя не могла бы возникнуть, и привычного мира попросту не было бы. Правда, стоит заметить, что работа ученых не обязательно имеет отношение к реальному миру. Более того, для корректной работы предложенного механизма параметры теории должны иметь вполне конкретные значения, то есть теория требует «тонкой настройки». Все детали можно списать на антропный принцип, но это не красивое решение.
В ноябре 2017 года японские физики-теоретики показали, что излучение Хокинга, исходящее от черных дыр, может существенно уменьшить вероятность распада ложного вакуума. С одной стороны, чем меньше черная дыра, тем сильнее она искривляет пространство и тем легче вокруг нее образуется пузырек истинного вакуума; с другой стороны, излучение Хокинга вокруг маленьких дыр имеет гораздо более высокую температуру, которую необходимо учитывать при образовании пузырька.
nplus1.ru, 26 марта 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/03/26/Higgs-DM
Журнал Physical Review Letters. 2018
Хосе Эспиноса (José Espinosa), Давиде Ракко (Davide Racco), и Антонио Риотто (Antonio Riotto)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.121301
Глава 11-15-5
Темную материю и темную энергию заменили отрицательной массой
Декабрь 2018
Британский астрофизик Джейми Фарнс предложил космологическую модель, в которой отрицательная масса производится с постоянной скоростью в течение всей эволюции Вселенной. Эта модель противоречит общепринятому взгляду на природу материи, однако она хорошо объясняет большинство эффектов, которые принято списывать на темную материю и темную энергию, — в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Статья опубликована в Astronomy & Astrophysics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Материя с отрицательной массой — это материя, которая ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Частица с отрицательной массой отталкивает частицы с положительной и отрицательной массой, тогда как «положительные» частицы притягивают «отрицательные». К сожалению, в рамках модели ΛCDM этот способ описания темной энергии заведомо обречен на провал. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной плотность различных компонент меняется по разным законам: плотность холодной материи падает, а плотность темной энергии остается постоянной. Поэтому отождествить материю с отрицательной массой и темную энергию нельзя.
Тем не менее, астрофизик Джейми Фарнс (Jamie Farnes) утверждает, что ему удалось увязать идею Эйнштейна с данными наблюдений. Для этого он объединил идею отрицательной массы с другой контринтуитивной идеей о непрерывном и однородном производстве массы в объеме Вселенной. Эта мысль тоже далеко не нова, впервые ее предложили еще в 40-х годах прошлого века. Теоретически, такие процессы действительно могут идти на фоне сильного гравитационного поля (например, за счет эффекта Хокинга).
Затем астрофизик рассчитал, как отрицательная масса будет проявляться на более мелких масштабах. Для этого он смоделировал в рамках своей модели взаимодействие большого числа частиц положительной и отрицательной массы. Фарнс обнаружил несколько эффектов, которые традиционно приписывают темной материи. Во-первых, он смоделировал эволюцию плотной группы частиц с положительной массой, погруженных в «море» из частиц отрицательной массы. Такая система должна качественно описывать эволюцию галактик на поздних стадиях расширения Вселенной. В результате он получил распределение плотности, которое хорошо совпадает с данными наблюдений — плотность частиц медленно растет при приближении к центру галактики и совпадает с профилем Буркерта. Это решает проблему «острого гало» (cuspy halo problem), которая возникает в модели ΛCDM.
Во-вторых, при тех же начальных данных ученый рассчитал кривую вращения галактики и обнаружил, что он тоже хорошо совпадает с данными наблюдений. В то время как в модели с чисто «положительными» частицами материя на краю галактики движется медленнее, чем в центре, в модели с преобладанием «отрицательных» частиц скорость получается примерно постоянной.
В-третьих, Фарнс показал, что в его модели естественным путем возникает нитевидная крупномасштабная структура Вселенной: галактики объединяются в скопления, скопления — в сверхскопления, а сверхскопления — в цепочки и стены.
В-четвертых, астрофизик предположил, что частицы положительной и отрицательной массы будут объединяться в диполи и ускоряться до скорости света (поскольку получившаяся частица не имеет массы). Ранее такая возможность уже рассматривалась, причем физики считали, что она является серьезным аргументом против теорий с отрицательной массой, поскольку ОТО запрещает массивным частицам, из которых состоит диполь, разгоняться до скорости света. Тем не менее, Фарнс подчеркивает, что такой процесс не нарушает никаких фундаментальных законов, но должен приводить к образованию космических частиц с очень высокими энергиями, которые отчасти регистрируются на практике.
Наконец, ученый проверил, как сильно предложенная модификация модели ΛCDM исказит реально наблюдаемые эффекты — расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам, реликтовый фон и наблюдения за слияниями скоплений галактик. Гипотеза не противоречит наблюдаемым данным. Впрочем, довольно много вопросов все еще остаются открытыми — в частности, не понятно, как увязать такую гипотезу со Стандартной моделью (может ли механизм Хиггса генерировать отрицательные массы?), как регистрировать частицы с отрицательной массой и как объяснить противоречия между отталкиванием «отрицательных» частиц и теорией гравитонов.
Модель с постоянным производством отрицательной массы объясняет не только наблюдаемое расширение Вселенной, но и образование ее крупномасштабной структуры, гало темной материи вокруг галактик и кривые вращения — большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию и темную материю. Как ни странно, такая интуитивно неестественная гипотеза вполне согласуется с данными наблюдений. Более того, она предлагает объяснить их более простым способом, привлекая меньше сущностей.
nplus1.ru, 5 декабря 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/12/05/negative-creation
Журнал Astronomy & Astrophysics, 2018
Джейми Фарнс (Jamie Farnes)
https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2018/12/aa32898-18/aa32898-18.html
https://arxiv.org/abs/1712.07962
Глава 11-15-6
Глава 11-15-8
Около Нейтрино начался поиск стерильных нейтрино
Июль 2019
На Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) Института ядерных исследований РАН, которая расположена рядом с поселком Нейтрино, начал работу эксперимент BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). Цель эксперимента – поиск переходов электронных нейтрино в стерильные состояния на коротком расстоянии. Официальный старт поиску дал первый заместитель Министра науки и высшего образования Григорий Трубников, сообщается на сайте Министерства.
Нейтрино — это очень легкие элементарные частицы, не обладающие электрическим зарядом и крайне слабо взаимодействующие с веществом. Изначально их существование было теоретически предложено для объяснения непрерывного спектра образующихся при β-распаде электронов. Новая частица должна была уносить часть энергии, при этом обеспечивая неизменность суммы энергий получающихся в результате распада элементов.
Сегодня известно о трех типах нейтрино, соответствующих поколениям лептонов в физике элементарных частиц: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Эти частицы позволили найти первые заметные отклонения от Стандартной модели — в ней нейтрино предполагались безмассовыми, однако затем были обнаружены их осцилляции, то есть превращения из одного типа в другой, которые возможны только для массивных частиц.
Ученые выдвинули идеи о существовании новых типов нейтрино, не участвующих ни в каких фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитации. Эти частицы получили название стерильных нейтрино, потому что обычные нейтрино участвуют в слабом взаимодействии. Теоретически стерильными нейтрино могут быть, например, правосторонние нейтрино (обладающие противоположной хиральностью). Тем не менее, неоспоримых экспериментальных данных об их существовании получить пока не удалось.
Идея эксперимента BEST состоит в поиске результатов взаимодействия частиц с веществом. Для BEST было изготовлено новое экспериментальное оборудование, в том числе сам двухзонный бак для облучения 50 тонн галлия, а также дополнительные модули систем извлечения и счета Галлий-германиевого нейтринного телескопа БНО.
Эксперимент BEST пройдет на базе подземного Галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии. Первые результаты эксперимента будут готовы к середине октября этого года, весь эксперимент рассчитан на 7-10 лет работы.
nplus1.ru, 29 июля 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/07/29/neutrino
Глава 11-15-9
Сверхтекучая темная материя не выдержала проверку Млечным Путем
Декабрь 2019
Астрофизики использовали данные по динамике Млечного Пути для сравнения стандартной гипотезы о гало из холодной темной материи с альтернативной идеей, которая предполагает сверхтекучие свойства данной субстанции на масштабах галактик. Оказалось, вторая концепция намного хуже соответствует реальности, так как предсказывает высокие ускорения в перпендикулярном диску направлении. Попытки привести ускорения в соответствие с наблюдениями приводят к несоответствию в распределении материи, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.
В одном из простейших вариантов темная материя представляет собой бесстолкновительное и холодное вещество (скорости частиц намного ниже скорости света). Такая модель прекрасно объясняет несоответствия на крупных масштабах — например, эволюцию скоплений галактик. Однако на масштабе порядка галактики у нее есть проблемы. В частности, она предсказывает намного больше карликовых галактик-спутников, чем наблюдается в локальной Вселенной. Также ядра галактик с доминирующим вкладом темной материи в реальности менее плотные и меньше отличаются от остальных частей систем, чем следует из численного моделирования.
Одной из наиболее труднообъяснимых особенностей является MDAR (Mass Discrepancy-Acceleration Relation — соотношение между расхождением масс и ускорением). Оно связывает отношение общей массы галактики к массе обычной материи в ней с ускорением звезд и газа на различных расстояниях от центра системы. Это отношение удивительно хорошо выполняется для множества галактик разных типов, в том числе с доминирующим вкладом темной материи. Выполнение MDAR можно интерпретировать как главенствующую роль обычной материи в определении ускорений в любых галактиках, даже с подавляющей частью массы в виде темной материи.
Для примирения идеи холодной темной материи с MDAR было предложено несколько более сложных моделей, которые по-разному проявляют себя в зависимости от масштаба. В рамках одной из таких теорий темная материя представлена относительно легкими частицами (масса более электронвольта), которые формируют квантовый конденсат сравнимого с галактикой размера.
В таком случае внутри такого сверхтекучего ядра основным определяющим динамику явлением оказываются звуковые волны, которые сильно связаны с обычным веществом. В результате возникает дополнительное дальнедействующее взаимодействие, которое и порождает MDAR. В этом смысле сверхтекучая темная материя похожа на совершенно другую попытку решения проблемы темной материи — модифицированную ньютоновскую динамику (МОНД). Фактически, эффект дополнительной силы от сверхтекучей невидимой материи имитирует отклонение от классических законов механики в варианте МОНД.
Астрофизики под руководством Марианджелы Лизенти (Mariangela Lisanti) из Принстонского университета проверили совместимость гипотезы сверхтекучей темной материи с хорошо известной динамикой объектов Млечного Пути. Оказалось, что модель сверхтекучего компонента плохо совместима с наблюдениями, так как такое вещество порождает дополнительную силу во всех направлениях, а в динамике Млечного Пути противоречия присутствуют лишь в плоскости вращения, а в перпендикулярном направлении его параметры хорошо описываются известным распределением обычной материи.
Выяснилось, что обе модели (сверхтекучая темная материя и стандартная холодная) в целом воспроизводят кривую вращения Млечного Пути до расстояния порядка 18 килопарсек от центра. Однако сверхтекучая модель систематически переоценивает скорости ближе к краю, так как там начинает заметно сказываться как вклад сверхтекучего ядра, так и «классического» гало. Однако дисперсия скоростей звезд в вертикальном направлении на расстоянии Солнца от центра Галактики (около 8 килопарсек) в первой модели оказывается значительно преувеличена.
В результате холодная темная материя предпочтительна с очень убедительной значимостью (логарифм коэффициента Байеса около 32). Авторы отмечают, что полученный вывод должен быть справедлив для любой модели темной материи, которая пытается объяснить MDAR переходом к подобному МОНД новому взаимодействию на малых масштабах. В связи с этим они считают полученные результаты по динамике Млечного Пути подходящим тестом любой модели темной материи.
nplus1.ru, 9 декабря 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/12/09/superfluid-dark-matter
Сервер arXiv.org. 2019
Марианджела Лизенти (Mariangela Lisanti) из Принстонского университета
https://arxiv.org/abs/1911.12365
Глава 11-15-10
Новая элементарная частица может оказаться «атомом» темной материи
Март 2020
Исследователи считают, что темная материя может состоять из недавно обнаруженных частиц – гексакварков d*. Как протоны, так и нейтроны состоят из трех мельчайших частиц, называемых кварками. Гексакварки отличаются тем, что состоят не из трех, а из шести кварков. Их существование было предсказано еще несколько десятилетий назад, и в 2014 г. ученым удалось подтвердить эту гипотезу. Исследование опубликовано в журнале Physics G Letters.
Хотя эти экзотические частицы состоят из большего числа кварков, чем протоны, на самом деле гексакварки намного меньше по размерам, чем хорошо знакомые нам частицы. Гексакварки относятся к бозонам, и это означает, что множества гексакварков d* могут формировать структуры, отличающиеся от тех структур, которые образуют протоны и нейтроны.
Согласно Михаилу Башканову с кафедры физики Йоркского университета, Великобритания, гексакварки могли конденсироваться, формируя темную материю, в необычных условиях сразу после Большого взрыва.
В своем исследовании Башканов и его коллега Дэниэл Уоттс (Daniel Watts) показывают, что в ранний период развития Вселенной гексакварки d* могли при остывании формировать то, что называют конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC).
BEC представляет собой экзотическое, пятое состояние материи, которое наблюдается, когда облако субатомных частиц остывает до температур, приближающихся к абсолютному нулю Кельвинов (минус 273,15 градусов Цельсия). При этих экстремальных температурах частицы объединяются в единую структуру, которая может быть описана при помощи волновой функции. Другими словами, частицы объединяются и ведут себя так, словно они представляют собой единый атом.
Несмотря на то что гексакварки в лаборатории склонны к быстрому спонтанному распаду, Башканов считает, что они являются намного более стабильными и долгоживущими в недрах нейтронных звезд и, возможно, также в составе BEC. Авторы считают, что BEC представляет собой то, что мы сегодня называем темной материей.
astronews.ru, 7 марта2020
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20200307053932
ЖурналPhysics G Letters.
Михаил Башканов, Дэниэл Уоттс (Daniel Watts), кафедра физики Йоркского университета, Великобритания
Глава 11-15-11
Связь темной материи и нейтрино не подтвердилась
Март 2020
Новые данные вывели стерильное нейтрино из списка кандидатов на роль частиц загадочной темной материи. Статья, опубликована в журнале Science
Большая часть массы космоса составляет темная материя. Невидимая ни в один телескоп, она проявляется лишь гравитационным влиянием на звезды, газовые облака и другие объекты, состоящие из обычных элементарных частиц. Темная материя удерживает вместе галактики, но из каких частиц сложена она сама, до сих пор не известно. Различные теоретические модели дают разные предсказания, и подтвердить какое-либо из них пока не удается. Одним из таких кандидатов выступает особый четвертый тип нейтрино — стерильное.
Тогда его неуловимость вполне понятна: вспомним, что нейтрино практически не взаимодействует с обычной материей и свободно пролетает сквозь наши тела, сквозь Землю и Солнце. Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр их пролетают десятки миллионов, однако даже специальным нейтринным обсерваториям, заполненным десятками тысяч тонн сверхчистой воды, удается зарегистрировать лишь несколько частиц за год.
О возможной связи между стерильным нейтрино и темной материей особенно активно заговорили в последние годы, когда наблюдения космических рентгеновских телескопов XMM-Newton и Chandra обнаружили, что соседние скопления галактик испускают фотоны с энергиями 3,5 КэВ. Теоретически их могут создавать стерильные нейтрино массой 7,1 КэВ: превращаясь в нейтрино других сортов в процессе осцилляций, они должны испускать рентгеновский фотон.
Новой проверке эта гипотеза подверглась в работе Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) и его коллег из Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Беркли. В новой статье, опубликованной в журнале Science, они снова обратились к данным зонда XMM-Newton. Однако на этот раз, вместо того чтобы анализировать излучение далеких звезд и галактик, астрономы сконцентрировались на излучении пустых участков между ними.
Идея состояла в том, что если стерильные нейтрино — и есть темная материя, то они заполняют нашу Галактику даже там, где нет никаких звезд. Поэтому фотоны на 3,5 Кэ*В, образованные распадом частиц «темного гало», должны регистрироваться и в пустотах. Однако изучение более чем 4000 снимков, полученных XMM-Newton начиная с 1999 года, ничего не дало. Возможно, эти частицы в далеких галактиках создаются не стерильными нейтрино, а вполне обычными частицами, в ходе пока не установленных процессов.
Сторонники «гипотезы стерильного нейтрино» не согласны с такими выводами — да и с результатами команды Сафди. Так, Алексей Боярский из Лейденского университета сообщил, что аналогичную работу с «пустотами» провела его группа, действительно зарегистрировав ожидаемый поток фотонов с энергиями 3,5 Кэ*В. Разные подходы к обработке данных дали совершенно разные результаты — и дискуссия вокруг стерильных нейтрино еще, видимо, далека от завершения.
naked-science.ru, 27 марта 2020, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/svyaz-temnoj-materii-i-nejtrino-ne-podtverdilas
Журнал Science, 2020
Бенджамин Сафди (Benjamin Safdi) и его коллеги из Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Беркли.
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aaw3772
Глава 11-15-12
Эксперимент не обнаружил никаких признаков стерильных нейтрино
Ноябрь 2021
Мы не знаем, что такое темная материя. Мы знаем характеристики темной материи и многое из того, как она ведет себя, поэтому мы знаем, какими физическими свойствами должна обладать темная материя, но ни одна известная материя не обладает всеми необходимыми характеристиками темной материи.
Самое близкое, что у нас есть - это нейтрино. Они слабо взаимодействуют с другой материей и не сильно взаимодействуют со светом, поэтому их можно считать формой темной материи. Проблема заключается в том, что все три известные разновидности нейтрино имеют чрезвычайно малые массы. Из-за этого они носятся по космосу почти со скоростью света. Это означает, что нейтрино являются формой «горячей» темной материи, точно так же, как горячий газ состоит из быстро движущихся молекул. Основываясь на наблюдениях за темной материей, таких как скопления галактик, мы знаем, что космическая темная материя должна быть в основном холодной. Нейтрино могут составлять небольшую часть темной материи, но большая часть темной материи должна быть чем-то другим.
Но поскольку нейтрино так близки к удовлетворению свойств темной материи, некоторые ученые утверждают, что темная материя может быть еще не открытой разновидностью, известной как стерильные нейтрино. Как и другие элементарные частицы, нейтрино обладают характеристикой, известной как спиральность. В принципе, нейтрино может вращаться по часовой стрелке вдоль направления своего движения (левая спиральность) или против часовой стрелки вдоль своего движения (правая). Большинство частиц могут иметь любой вид спиральности, но мы видим только левосторонние нейтрино и правосторонние антинейтрино.
Это означает, что если правосторонние нейтрино существуют, они не взаимодействуют с обычной материей, а только с гравитацией. Таким образом, они «стерильны». И если бы они имели значительно большую массу, чем обычные нейтрино, стерильные нейтрино были бы «холодными» и могли бы стать решением проблемы темной материи. Это отличная идея, но, к сожалению, как показывает новое исследование, она не соответствует действительности.
В новом исследовании рассматривались данные, полученные в результате сотрудничества Fermilab с MicroBooNE. Нейтрино направили в детектор MicroBooNE, чтобы увидеть, какие типы взаимодействий происходят с обычным веществом. Более ранние исследования, такие как эксперимент с жидкостным сцинтилляторным нейтринным детектором в Лос-Аламосе и MiniBooNE от Fermilab, обнаружили больше событий, чем предсказывает стандартная модель. Одно из возможных решений этой загадки состоит в том, что стерильные нейтрино, взаимодействующие с другими нейтрино, создают избыток электронов в наблюдаемых событиях. Другое объяснение заключается в том, что фоновые фотоны исказили данные. Коллаборация MicroBooNE достаточно точна, чтобы рассмотреть любой из этих вариантов и на удивление исключить оба варианта. Данные исключают фоновые фотоны с достоверностью 95% и стерильные нейтрино с достоверностью 99%.
Если ранее обнаруженное в MiniBooNE превышение является реальным эффектом, то происходит что-то странное. Стерильные нейтрино могут существовать, но их взаимодействие должно быть более тонким, чем предсказывают модели. Между обычными нейтрино также могут быть более сложные взаимодействия, которые в настоящее время не рассматриваются в стандартной модели. Это еще предстоит установить.
astronews.ru, 6 ноября 2021
Глава 11-15-13
Физики предложили искать темную материю с помощью детекторов гравитационных волн
Декабрь 2021
Физики предложили новый метод обнаружения частиц легкой темной материи с помощью детекторов гравитационных волн. Ученые проанализировали данные, собранные немецкой гравитационной обсерваторией GEO600, но не нашли в них сигнала темной материи, установив таким образом более строгие ограничения на интенсивность ее взаимодействия с обычным веществом. Исследование опубликовано в Nature.
В большинстве моделей масса вимпов лежит в диапазоне от нескольких гигаэлектронвольт до массы Планка (приблизительно 1019 гигаэлектронвольт). Существуют, однако, модели темной материи, в которой масса ее частиц очень мала.
Одной из таких моделей является дилатонная темная материя, частицы которой могут быть возмущениями полей дилатона или модулей, чье существование предсказывает Теория струн. Модели дилатонной темной материи утверждают, что ее частицы рождаются в ранней Вселенной, а в настоящее время представляют собой почти когерентно осциллирующее поле, частота осцилляций которого связана с массой частиц темной материи. Когерентность нарушается локальными возмущениями гравитационного потенциала, которые создают галактики и их скопления, но для темной материи, составляющей обычное галактическое гало, отношение разброса частот к самой частоте колебаний мало и равно приблизительно 10-6.
Масса частиц дилатонной темной материи существенно меньше одного электронвольта (напомним, что масса электрона чуть больше 0,5 мегаэлектронвольта, а масса протона почти равна одному гигаэлектронвольту), а ее взаимодействие с полями Стандартной модели имеет очень специфический вид — в простейшем случае в уравнениях движения поле темной материи с определенными коэффициентами добавляется к массе электрона и обратному квадрату его заряда, превращая их из констант в переменные в пространстве-времени величины. От значения массы и заряда электрона зависят свойства атомов, а следовательно, и состоящих из них веществ. Изменение этих параметров ведет в частности к изменению показателя преломления и размера твердых тел, которые предположительно можно наблюдать экспериментально.
Группа физиков из Великобритании и Германии под руководством Хартмута Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа предложила новый метод поиска частиц легкой темной материи с использованием детекторов гравитационных волн.
Идея группы Гроте заключается в том, что из-за разного коэффициента отражения двух поверхностей разделяющего цилиндра, он взаимодействует с двумя лучами по-разному, и изменение размера цилиндра и коэффициента преломления света в нем из-за взаимодействия с полем легкой темной материи создает разницу в оптических длинах путей и без всяких гравитационных волн. Именно этот эффект физики и предложили искать. Для своего эксперимента они выбрали немецкий детектор гравитационных волн GEO600, так как он наиболее чувствителен к разнице в оптических длинах путей двух лучей.
Ученые рассмотрели три типа дилатонной темной материи. Первый из них представляет собой простейший вариант, в котором темная материя взаимодействует только с электроном и фотоном. Во второй теории темная материя взаимодействует аналогичным образом еще и с глюонным, и с кварковыми полями. Третья модель во многом похожа на вторую, но взаимодействие темной материи с полями Стандартной модели в ней возникает через смешивание дилатона с полем бозона Хиггса. Проанализировав данные, собранные GEO600, физики не обнаружили темной материи, описываемой ни одной из трех теорий.
Результаты исследования закрыли теории дилатонной темной материи для величин в диапазоне масс частиц от 10-13 до 10-11 электронвольт. Эти ограничения в данном интервале масс более чем на шесть порядков величины более строгие, чем те, которые были получены в спектроскопических экспериментах, и на четыре порядка лучше, чем в проверках принципа эквивалентности.
nplus1.ru, 21 декабря 2021, Андрей Фельдман
https://nplus1.ru/news/2021/12/21/light-scalar-dark-matter
Журнал Nature, 2021
Хартмут Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04031-y
Часть 11-16
Барионная темная материя. MACHO
Содержание
11-16-1. Природа частиц тёмной материи
11-16-2. Барионная темная материя.
11-16-3. Теоретическое рассмотрение
Глава 11-16-1
Природа частиц тёмной материи
Тёмная материя определяется по гравитационному взаимодействию с обычным веществом и излучением. Гипотетические частицы холодной темной материи — медленные (нерелятивистские), они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с обычной материей и не излучают фотонов. Они подразделяются на слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISP — weakly interacting slim particles).
WIMP — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц Стандартной модели) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона), и т. д. Наилучшим кандидатом на звание частицы темной материи из числа WIMP ученые сейчас считают нейтралино — это квантовая «смесь» суперпартнеров Z-бозона, фотона и бозона Хиггса.
На данный момент частицы с необходимыми свойствами открыты не были, но многие расширения стандартной модели предсказывают существование таких частиц. Поиск вимпов включает попытки прямого обнаружения высокочувствительными детекторами, а также попытки их создания на ускорителях частиц. Вимпы обычно рассматривают как наиболее вероятные кандидаты в составляющие тёмной материи.
Основной кандидат из группы WISP — аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Эта очень легкая (миллионные доли электронвольта) стабильная и электрически нейтральная частица способна в очень сильных магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намек на то, как можно попытаться ее обнаружить в эксперименте.
Аксионы обладают теоретическим преимуществом, поскольку их существование может решить одну из проблем квантовой хромодинамики, но пока эти частицы обнаружены не были.
Не исключено, что темная материя — это MACHO или массивные компактные объекты гало являются крупными плотными объектами, такими как чёрные дыры, нейтронные звёзды, белые карлики, очень слабые звёзды или несветящиеся объекты типа планет. Поиск таких объектов заключается в использовании метода гравитационного линзирования для обнаружения влияния таких объектов на изображения галактик фона. Большинство экспертов считает, что ограничения, полученные из результатов поиска объектов, исключают MACHO из числа кандидатов в составляющие тёмную материю объекты.
Глава 11-16-2
Барионная темная материя. MACHO
По мере развития астрофизики и утверждения гипотезы о тёмной материи для ряда специалистов наиболее естественным было предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. Кандидатами на роль подобных объектов могли бы быть планеты, коричневые карлики, красные карлики, белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Астрофизик Ким Грайст (англ. Kim Griest) предложил для их обозначения термин MACHO (массивный астрофизический компактный объект гало, англ. massive astrophysical compact halo object). Этот акроним, намекающий на исп. macho — «мачо, мужлан», является противопоставлением ранее предложенному Майклом Тёрнером (англ. Michael S. Turner) термину WIMP для гипотетических небарионных слабо взаимодействующих массивных элементарных частиц (англ. wimp — «зануда, слабак»).
Однако, судя по всему, доля барионного вещества в составе тёмной материи мала. Во-первых, эксперименты по поиску объектов MACHO в гало нашей Галактики путём выявления событий гравитационного микролинзирования света звёзд привели к заключению, что доля таких компактных объектов, по крайней мере с массами в диапазоне от 10−7 до 102 масс Солнца, составляет не более 8 %. С другой стороны, ни один известный тип кандидатов на роль составляющих тёмной материи не соответствует наблюдательным данным по её количеству. Кроме того, из космологических соображений следует, что соотношение первичных концентраций лёгких элементов, в особенности доля дейтерия (наблюдаемое в самых старых астрономических объектах), свидетельствует о достаточно малом вкладе барионов в полную плотность Вселенной — всего 4,5 % от значения критической плотности, тогда как полученные независимыми методами оценки массы всего вещества дают 20-30 % этого значения.
Типы
Считается, что к объектам MACHO могут относиться чёрные дыры, и существует предположение о возможном наличии гало из чёрных дыр вокруг Млечного Пути.
Чёрные дыры иногда обнаруживаются по гало яркого газа и пыли, образующемуся по мере разрушения притяжением чёрной дыры аккреционного диска. Подобный диск может создавать джеты газа, выбрасываемого из окрестностей чёрной дыры. Изолированная же чёрная дыра не будет обладать аккреционным диском и может быть обнаружена лишь по гравитационному линзированию.
Космологи подвергают сомнению утверждение о том, что MACHO составляют значительную часть тёмной материи, поскольку чёрные дыры располагаются в отдельных точках галактики. Но наибольшая часть объектов, составляющих тёмную материю, должна быть равномерно распределённой по галактике для уравновешивания гравитации. Некоторые физики, например, Джордж Чаплин[англ.] (англ. George Chapline) и Роберт Лафлин (англ. Robert B. Laughlin) считают, что принятая модель чёрных дыр некорректна и должна быть заменена новой моделью: так называемой гипотезой о звёздах тёмной энергии. В общем случае для новой модели распределение тёмной энергии будет клочковатым, а звёзды тёмной энергии основного типа могут являться возможными кандидатами MACHO.
Нейтронные звёзды, в отличие от чёрных дыр, недостаточно тяжелы для полного коллапса, вместо этого они формируют вещество, более похожее по свойствам на атомные ядра (иногда неформально называемое нейтронием). После некоторого времени такие звёзды могут излучать достаточное количество энергии, чтобы охладиться и перестать быть наблюдаемыми. Аналогично старые белые карлики также могут остыть и превратиться в чёрные карлики, хотя Вселенная имеет для этого слишком малый возраст.
Другими кандидатами на роль MACHO являются коричневые карлики. Иногда их называют неудавшимися звёздами, поскольку они не обладают достаточной массой для того, чтобы начать термоядерные реакции. Следовательно, единственным источником энергии для них является гравитационное сжатие; такие звёзды могут быть видимыми в некоторых условиях. Массы коричневых карликов составляют от 13 до 75 масс Юпитера.
Глава 11-16-3
Теоретическое рассмотрение
Теоретические рассмотрения показали, что вероятность большого вклада старых объектов MACHO в современное количество тёмной материи во Вселенной мала. Согласно современным представлениям, во время Большого взрыва не могло сформироваться достаточного количества барионов. Отдельные наблюдения барионных акустических осцилляций как в микроволновом фоне, так и в крупномасштабном распределении галактик, дают ограничения на отношение количества барионов к полному количеству вещества во Вселенной. Подобные наблюдения показали, что вне зависимости от наличия или отсутствия MACHO доля небарионного вещества должна быть большой.
Обнаружение
MACHO можно обнаружить при прохождении перед звездой, поскольку притяжение объекта искривит путь распространения света, вследствие чего звезда будет казаться более яркой из-за эффекта гравитационного микролинзирования. Несколько групп исследователей пытались обнаружить объекты MACHO путём поиска усиления света при микролинзировании. По результатам исследования был сделан вывод о том, что наличие тёмной материи нельзя объяснить присутствием MACHO в интервале масс от 1⋅10−8 до 100 масс Солнца. Группа "the MACHO collaboration" утверждала, что были обнаружены достаточно надёжные проявления микролинзирования, чтобы предсказать наличие большого количества MACHO с массами около 0,5 массы Солнца, способного объяснить присутствие около 20 % тёмной материи в нашей Галактике. Данный вывод подразумевает, что объекты MACHO могут быть белыми карликами или красными карликами с похожими массами. Однако белые и красные карлики не являются совершенно тёмными; они испускают некоторое излучение, поэтому их можно обнаружить в рамках обзоров неба. Проводимые обзоры позволили отвергнуть предположение о том, что подобные объекты составляют значимую часть тёмной материи в нашей галактике. Другая группа исследователей, "the EROS2 collaboration", не подтвердила выводы первой группы. Они не обнаружили достаточного количества явлений микролинзирования при увеличенной вдвое чувствительности. Наблюдения на инструменте NICMOS телескопа «Хаббл» показали, что менее процента массы гало составляют красные карлики, что соответствует пренебрежимо малой доле от массы гало тёмной материи.
Первичные чёрные дыры
Одними из кандидатов на роль объектов MACHO являются первичные чёрные дыры, образовавшиеся в момент начального расширения Вселенной сразу после Большого взрыва. Исследования, основанные на подсчёте событий гравитационного микролинзирования света далёких сверхновых, дают существенные ограничения на возможную долю чёрных дыр с массой более 0,01 масс Солнца в составе тёмной материи — не более 23 %. Тем не менее, остаются ещё не исключённые значения масс, которые могут иметь первичные чёрные дыры, в частности, такие объекты с массами более 103 солнечных масс могут играть важную роль в космологических процессах, даже составляя очень небольшую долю тёмной материи.
Максимоны
Кроме того, высказывалось предположение, что роль частиц тёмной материи могли бы играть гипотетические планковские чёрные дыры (максимоны), являющиеся конечным продуктом эволюции обычных чёрных дыр, стабильные и более не подверженные излучению Хокинга. Эти объекты характеризует крайне малое сечение взаимодействия — порядка 10−66 см2, на 20 порядков меньше сечения взаимодействия нейтрино. Согласно данной теории, малость сечения взаимодействия нейтральных максимонов с веществом приводит к тому, что значительная (или даже основная) часть материи во Вселенной в настоящее время могла бы состоять из максимонов, не приводя к противоречию с наблюдениями.
Звезда тёмной энергии
Звезда тёмной энергии — гипотетический астрономический объект, теоретическая альтернатива чёрным дырам.
Гипотезу о звёздах тёмной энергии выдвинул сотрудник Ливерморской национальной лаборатории Джордж Чеплин в 2005 году. Согласно его гипотезе, при прохождении через горизонт событий падающее вещество превращается в энергию вакуума или тёмную энергию. За счёт этого пространство внутри горизонта событий будет в конечном итоге иметь отличную от нуля космологическую постоянную и будет оказывать сопротивление гравитации, вследствие чего там не будет сингулярности с исчезновением информации. В 2005 году Д. Чеплин утверждал, что на основе квантовомеханических представлений у него есть «почти полная уверенность», что чёрных дыр в природе не существует, а существуют звезды тёмной энергии. Теория звёзд тёмной энергии базируется на иных принципах, чем теория гравастара.
Часть 11-17
Темная материя и черные дыры
Содержание
(том – часть – глава)
11-17-1. Темная материя в галактиках управляет ростом черных дыр
11-17-2. В ранних галактиках обнаружили нехватку темной материи
11-17-3. Темную материю предложили искать в форме «гравитационных молекул» в составе двойных черных дыр
11-17-4. Найдены новые доказательства существования темной материи вокруг черных дыр
Глава 11-17-1
Темная материя в галактиках управляет ростом черных дыр
Февраль 2015
У каждой массивной галактики в центре имеется черная дыра (ЧД), и чем тяжелее галактика, тем больше её ЧД. Но почему возникает связь между двумя этими массами? В конце концов, ЧД в миллионы раз меньше, чем её родительская галактика, как по размерам, так и по массе. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal.
В новом исследовании астрономы изучили большое число эллиптических галактик и показали, что невидимая темная материя некоторым образом влияет на рост центральной ЧД галактики.
«Похоже, что между количеством темной материи, содержащейся в галактике, и размером её центральной ЧД имеется какая-то таинственная связь, несмотря на то, что эти величины описывают материю на совершенно разных космических масштабах», — говорит главный автор нового исследования Акос Богдан из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США.
Это новое исследование ставит целью разрешить неоднозначность, существующую в этой научной области. В результате предыдущих наблюдений учеными было установлено соотношение между массой центральной ЧД и суммарной массой всех звезд в эллиптических галактиках. Однако более недавние исследования указывают на строгую корреляцию между массами центральных ЧД и состоящих из темной материи гало эллиптических галактик. До сих пор ученым не было ясно, какое из этих двух соотношений имеет решающее значение.
Изучив свыше 3000 эллиптических галактик, Богдан и его коллега Анди Гудлинг из Принстонского университета пришли к выводу, что в таких галактиках зависимость между массой гало, состоящего из темной материи, и массой центральной ЧД выражена более явно, чем зависимость между суммарной массой всех звезд галактики и массой центральной ЧД.
Эта зависимость может быть связана с особенностями формирования эллиптических галактик, говорят ученые. Эллиптическая галактика формируется в результате слияния меньших по размерам галактик, при этом звезды и темная материя исходных галактик перемешиваются между собой. Так как масса темной материи в галактиках существенно превосходит массу нормальной материи, то темная материя «сжимает» вновь образовавшуюся галактику, управляя ростом её центральной ЧД.
Astronews, 19 февраля 2015
http://astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=6953
Журнал The Astrophysical Journal. 2015
Акос Богдан Гарвард-Смитсоновский астрофизический центр, США.
Глава 11-17-2
В ранних галактиках обнаружили нехватку темной материи
Март 2017
Международная группа астрономов обнаружила шесть древних галактик с чрезвычайно малой долей темной материи в них. На необычное свойство указала скорость вращения звезд в них. Это означает, что в ранней Вселенной барионная материя конденсировалась в центрах гало темной материи эффективнее, чем сейчас. Ученые отмечают, что подобные наблюдения помогут уточнить модель возникновения галактик, подобных Млечному Пути, — по своим параметрам обнаруженные объекты напоминают нашу Галактику такой, какой она была десять миллиардов лет назад. Исследование опубликовано в Nature.
Модель возникновения галактик описана сейчас лишь в общих чертах. Согласно одной из общепризнанных теорий галактики возникают из слияния нескольких звездных скоплений. Концентрирование обычной (барионной) материи ассоциировано с образованием гало темной материи вокруг галактики. На существование этого гало у галактик-ровесниц Млечного Пути указывает необычное распределение скоростей вращения звезд. Если бы гало отсутствовало, то удаление от центра галактики приводило бы к постепенному снижению скорости материи диска. Однако, согласно наблюдениям, эта скорость растет с удалением от центра, выходя на плато. Объяснить это удается лишь с помощью введения темной материи, плотность которой растет вблизи границ галактики.
Авторы новой работы обнаружили шесть крупных галактик, в которых скорость барионной материи падает с удалением от центра. Находка была сделана в рамках обзора сотни удаленных галактик с помощью 8,2-метрового Очень большого телескопа (VLT) Южной европейской обсерватории. Все они относятся к пиковому периоду формирования звезд — примерно 10 миллиардам лет назад. Ученые оценивали скорость вращения разных участков галактик по доплеровскому сдвигу излучения атомарного водорода в их составе. Огромное разрешение VLT позволило определить сдвиг для отдельных частей галактических дисков.
Эти галактики можно назвать идеальными объектами исследования по двум причинам. Во-первых, они обладают среднестатистическими темпами звездообразования для своей эпохи — 50-200 масс Солнца в год. Во-вторых, их масса примерно соответствует массе Млечного Пути или слегка ее превышает. Таким образом, вероятно, это не экзотические объекты, поведение которых может быть связано с неизвестными факторами, а вполне стандартные галактики своей эпохи. Это помогут подтвердить наблюдения и статистический анализ.
Ученые объясняют нестандартное поведение материи в галактике чрезвычайно большим потоком газа, стягивающимся из межгалактического пространства. Это, вместе с многочисленными вспышками сверхновых, замедляло вращение внешней части диска галактики. Одновременно с этим происходило пространственное разделение газа и темной материи. Из-за того, что последняя слабо взаимодействует с обычным веществом, газ гораздо быстрее терял энергию и концентрировался в центральных областях галактик. Это приводило к тому, что в центре галактики доминировала обычная барионная материя. Доля темной материи в исследованных галактиках на расстоянии половины радиуса от центра в ряде случаев не превышала семи-восьми процентов. Для сравнения, по современным данным Вселенная состоит примерно на пять процентов из барионов и на 27 процентов из темной материи.
Интересно, что темная материя в момент, наблюдаемый учеными, еще не находится в равновесии. Ее гало в галактиках непрерывно растет и из его динамики можно попытаться получить новые ограничения на свойства этой неизученной формы материи. Более сложная задача, стоящая перед исследователями — описать переход между древним состоянием, в котором в галактике доминирует барионная материя к современному, в котором доминирует темная материя.
nplus1.ru, 17 марта 2017, Владимир Королёв
https://nplus1.ru/news/2017/03/17/dark-matter-ancient-galaxy
Журнал Nature, 2017
http://www.nature.com/nature/journal/v543/n7645/full/nature21685.html
Глава 11-17-3
Темную материю предложили искать в форме «гравитационных молекул» в составе двойных черных дыр
Ноябрь 2020
Новая научная работа международной команды астрофизиков предлагает еще один способ обнаружения темной материи во Вселенной. Согласно этой модели, частицы могут находиться вокруг двойных черных дыр, как электроны вокруг двух атомов водорода в молекуле газа. Опубликовано на сайте препринтов arXiv.
А обнаружить темную материю можно будет по отличию между расчетными характеристиками гравитационных волн и фактически зафиксированными. Дело в том, что существующие модели не учитывают окружающую двойные черные дыры темную материю. Если авторы публикации правы, то при повышении чувствительности детекторов можно зафиксировать эти небольшие расхождения. Дело в том, что находящиеся вокруг пары сингулярностей частицы не могут не повлиять на гравитационные волны.
Оригинальную гипотезу сформулировали астрофизики Таиши Икеда (Taishi Ikeda), Лаура Бернард (Laura Bernard), Витор Кардосо (Vitor Cardoso) и Мигель Зильхао (Miguel Zilhao). Они работают в научно-исследовательских учреждениях Италии, Франции и Испании.
В своей работе ученые обратились к сходству строения молекулы водорода и двойных черных дыр. Состоящее из одного протона ядро протия (самого распространенного изотопа H) можно описать всего тремя параметрами: массой, спином и зарядом. То же самое справедливо для любой субатомной частицы. Как ни парадоксально, с точки зрения физики у черной дыры также есть всего три фундаментальные характеристики. И они аналогичны: зная ее массу, заряд и направление вращения, можно рассчитать все возможные прочие параметры этого загадочного объекта.
Новая модель подразумевает, что так же, как в газе, вокруг двух черных дыр эквивалентной массы могут быть поля частиц. Поскольку они никак не фиксируются ни в одном диапазоне электромагнитного спектра, если они существуют, то это темная материя. Отметим, что имеется в виду скалярное поле вероятных положений частицы. В молекуле водорода это электрон, который может находиться только в строго ограниченной области вокруг двух протонов. Аналогичная область существует вокруг двойных черных дыр, только в гораздо большем масштабе.
Икеда, Бернард, Кардосо и Зильхао отмечают, что их модель имеет серьезные ограничения. Пока не ясно, можно ли ее распространить на системы черных дыр, в которых сингулярности имеют различную массу. Кроме того, вся работа — пусть и обоснованное, но все же исключительно теоретическое построение. Аргументация авторов опирается на известные данные о строении Вселенной в целом и черных дыр в частности.
Несмотря на отсутствие инструментов необходимой точности, их совершенствование — лишь вопрос техники. Вполне возможно, что в ближайшие годы оригинальную гипотезу «гравитационной молекулы» опровергнут или подтвердят. В любом случае, это интересный взгляд на методы обнаружения темной материи, потенциально способный существенно продвинуть астрофизику вперед.
naked-science.ru,18 ноября 2020, Василий Парфенов
https://naked-science.ru/article/astronomy/gravitacionniie-molekulii
Сайт препринтов arXiv. 2020
Таиши Икеда (Taishi Ikeda), Лаура Бернард (Laura Bernard), Витор Кардосо (Vitor Cardoso) и Мигель Зильхао (Miguel Zilhao). Италия, Франция и Испания
https://arxiv.org/abs/2010.00008
Глава 11-17-4
Найдены новые доказательства существования темной материи вокруг черных дыр
Март 2023
Исследователи из Китая подробно изучили две ближайшие двойные системы, содержащие звезду и черную дыру звездной массы, и нашли новые косвенные доказательства существования плотной темной материи вблизи их черных дыр. Примененная авторами модель динамического трения позволила также объяснить поведение звезд-компаньонов намного лучше, чем любая другая теория, не учитывающая темную материю. опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Сегодня известно с десяток теоретических и наблюдательных доказательств существования темной материи. Хотя все они косвенные, каждое доказательство позволяет чуть больше узнать о свойствах и распространенности темной материи, а также приблизиться к пониманию ее природы и открытию составляющих ее частиц.
Очередное доказательство существования темной материи предложил дуэт астрофизиков из Университета образования Гонконга (КНР). Ученые выбрали в качестве объектов исследования две ближайшие рентгеновские двойные системы, состоящие из черной дыры звездной массы и звезды-компаньона — A0620-00 и XTE J1118+480. Системы, находящиеся в трех и шести тысячах световых лет от Солнца, активны и излучают в рентгеновском диапазоне при падении вещества звезды-компаньона на черную дыру.
Вращаясь вокруг своих черных дыр, звезды-компаньоны постепенно замедляются со скоростью примерно в одну-две миллисекунды в год, согласно наблюдениям астрономов. Однако стандартная теоретическая оценка дает значение на два порядка ниже, а именно — 0,02 миллисекунды в год. При этом учет возможного магнитного торможения или влияния приливных сил не предоставляет желаемого результата и тоже расходится с наблюдательными данными.
В новом исследовании авторы решили применить модель динамического трения к темной материи, чтобы попытаться объяснить такое расхождение теории с наблюдениями, а заодно выяснить, существуют ли всплески плотности темной материи вблизи черных дыр звездной массы. Суть модели заключается в том, что звезда, движущаяся в плотной среде из частиц темной материи, будет гравитационно притягивать их, создавая повышенную концентрацию частиц позади себя.
Это еще более плотное скопление частиц темной материи, в свою очередь, будет оказывать коллективное гравитационное воздействие на звезду, замедляя ее. Эффект динамического трения был предложен более 70 лет назад лауреатом Нобелевской премии астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром, но ранее его не применяли к подобным системам.
Но именно в рассматриваемом случае этот эффект позволил получить наиболее близкие к наблюдаемым значениям скорости замедления звезды-компаньона. В дальнейшем исследователи надеются применить такую модель к другим двойным системам, которых только в нашей Галактике не менее 18.
naked-science.ru, 22 марта 2023, Даниил Сухинов
https://naked-science.ru/article/astronomy/temnota-vokrug-chernyh-dy
Журнал The Astrophysical Journal Letters. 2023
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acaafa
Часть 11-18
Первичные черные дыры
Содержание
(том – часть – глава)
11-18-1. Обнаружена связь между черными дырами ранней Вселенной и темной материей
11-18-2. Гравитационные волны укажут на существование первичных черных дыр
11-18-3. Темная материя может состоять из первичных черных дыр
11-18-4. Тусклые карликовые галактики ограничили массу первичных черных дыр в темной материи
11-18-5. Астрономы отвергли связь черных дыр и темной материи
11-18-6. Темной материи запретили состоять из черных дыр с массой Луны
11-18-7. Первичные черные дыры и поиски темной материи в Мультивселенной
11-18-8. Исследование исключает первичные черные дыры из кандидатов на роль темной материи
11-18-9. Найдены новые доказательства существования темной материи вокруг черных дыр
Глава 11-18-1
Обнаружена связь между черными дырами ранней Вселенной и темной материей
Май 2016
Темная материя представляет собой таинственную субстанцию, состоящую, как сейчас предполагают, из массивных частиц с необычными свойствами. Альтернативой этой теории является версия, согласно которой темная материя состоит из черных дыр, формировавшихся в течение первой секунды после Большого взрыва. В новом исследовании астрофизик показывает, что эта интерпретация хорошо согласуется с нашими знаниями о космических инфракрасном и рентгеновском фоновых излучениях и может объяснить неожиданно большие массы объединяющихся черных дыр, факт слияния которых был обнаружен в прошлом году.
В 2005 г. команда астрономов НАСА при помощи космического телескопа «Спитцер» зафиксировала фоновое инфракрасное излучение в одной из частей неба, демонстрирующее неоднородности. Исследователи тогда сделали вывод о том, что этот свет относится к источникам ранней Вселенной, существовавшим более чем 13 миллиардов лет назад.
В 2013 г. в другом исследовании астрономы обнаружили при помощи рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра» аналогичное фоновое излучение, но уже в рентгеновской области спектра. Первые звезды излучали в основном в оптическом и УФ-диапазонах, к тому же при расширении Вселенной свет, излучаемый ими, «растягивался», переходя в ИК-область спектра, поэтому первые звезды не могут отвечать за рентгеновский фон, заключили авторы работы. Единственными известными науке кандидатами на роль источников, излучающих в широком диапазоне длин волн, оставались черные дыры.
В своем исследовании Кашлински предполагает, что темная материя на самом деле состоит из черных дыр, подобных тем, что были зарегистрированы недавно при помощи обсерватории LIGO. Согласно его теории в горячей ранней Вселенной такая темная материя дала «зародыши», на которых происходила конденсация газа с образованием звезд, излучающих свет в оптическом и УФ-диапазонах. Кроме того, конденсирующийся газ падал на черные дыры и начинал светиться в рентгене – что объясняет появление наблюдаемого рентгеновского фона. Такой сценарий объясняет соответствие между наблюдаемыми картинами неоднородностей в картах рентгеновского и ИК фона.
Astronews, 25 мая 2016
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8547
обсерватория LIGO
Александр Кашлински из Центра космических полетов Годдарда НАСА, США.
Глава 11-18-2
Гравитационные волны укажут на существование первичных черных дыр
Декабрь 2017
Черные дыры не могли образоваться по стандартному сценарию (в результате коллапса материи) раньше, чем через сто миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z = 40), утверждают двое физиков из Гарварда. Поэтому если мы зарегистрируем гравитационные волны от слияния двух черных дыр с бóльшим красным смещением, это будет практически однозначным свидетельством в пользу существования первичных черных дыр. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Согласно стандартному сценарию, черная дыра образуется в результате гравитационного коллапса крупной звезды. По общепринятой сейчас модели развития Вселенной звезды начали появляться только спустя 150-500 миллионов лет после Большого взрыва (эпоха реионизации), то есть до момента реионизации черные дыры не должны были возникать. С другой стороны, в ранней Вселенной вещество было очень горячим и неоднородным, и черные дыры могли появляться просто из-за колебаний его плотности. Такие черные дыры называются первичными. Отдаленно возникновение первичных черных дыр напоминает кипение абсолютно чистой воды, в которой пузырьки могут возникать только из-за колебаний плотности жидкости.
Но наблюдать черные дыры непосредственно очень сложно, поскольку свет не может покинуть их окрестности. Поэтому в основном их ищут, оценивая гравитационное влияние на находящиеся рядом тела. Для первичных черных дыр этот способ, очевидно, работать не будет, но есть и другие способы заметить черные дыры. Например, система, состоящая из двух черных дыр, со временем коллапсирует в одну более массивную дыру, излучая при этом гравитационные волны. По этим волнам можно примерно установить красное смещение исходной системы (то есть момент, в который произошло слияние) и массу дыр. На данный момент коллаборация LIGO зарегистрировала пять событий, отвечающих слиянию двух черных дыр, а за разработку детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну присудили Нобелевскую премию.
Физики Саввас Кушиаппас (Savvas M Koushiappas) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) оценили, насколько часто мы должны регистрировать слияния черных дыр в зависимости от их красного смещения. Для этого ученые использовали стандартную космологическую модель и считали, что звезды и черные дыры образуются из вещества, пойманного в гало темной материи. При этом масса гало должна превышать некоторый предел, чтобы холодный молекулярный водород начал сжиматься и превращаться в звезды.
В результате оказалось, что чем больше красное смещение, тем реже образуются черные дыры (по стандартному сценарию), и тем реже мы должны регистрировать их слияния, а начиная со смещения z = 40 регистраций быть вообще не должно. В более древние времена вещество не могло коллапсировать в дыры, и сливаться было просто нечему. С другой стороны, в те времена могли образоваться первичные черные дыры, и если мы поймаем волны с бóльшим красным смещением, это будет аргументом в пользу их существования.
nplus1.ru, 4 декабря 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/12/04/black-waves
Журнал Physical Review Letters. 2017
Саввас Кушиаппас (Savvas M Koushiappas) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.221104
Глава 11-18-3
Темная материя может состоять из первичных черных дыр
Апрель 2018
Одна из версий происхождения темной материи связывает ее с первичными черными дырами, возникшими в ранней Вселенной в результате космической инфляции или прямого коллапса первичного газа. ОпубликовановжурналеMonthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Астрономы во главе с Киронгом Чжу (Qirong Zhu) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, попытались проверить эту гипотезу, используя в качестве критерия проверки распределение плотности в гало галактик. Согласно команде Чжу, в том случае если гало галактик состоят из первичных черных дыр, распределение плотности в них будет отличаться от распределения плотности в гало галактик, состоящих из экзотических частиц.
Исследователи считают, что в качестве объектов таких наблюдений следует выбирать тусклые карликовые галактик, поскольку для них эти эффекты изменения распределения плотности будут выражены в наибольшей степени. С помощью компьютерного моделирования авторы проверили, могут ли карликовые галактики помочь обнаружить присутствие первичных черных дыр – и пришли к утвердительному выводу. Согласно авторам взаимодействия между звездами и первичными черными дырами гало могут изменить распределение звезд в них.
Astronews, 21 апреля 2018
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Киронг Чжу (Qirong Zhu) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США
Глава 11-18-4
Тусклые карликовые галактики ограничили массу первичных черных дыр в темной материи
Апрель 2018
Группа астрофизиков, включая ученого из России, смоделировала эволюцию ультратусклых карликовых галактик при условии, что окружающая их темная материя состоит из первичных черных дыр. Это позволило ограничить массу таких черных дыр диапазоном от 2 до 14 масс Солнца и подтвердить, что распределение темной материи в этом случае не противоречит наблюдаемым кривым вращения галактик. Статья опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Экспериментальных доказательств существования темной материи до сих пор не найдено. Одним из самых интересных кандидатов на роль темной материи служат первичные черные дыры (primordial black holes), возникшие на ранних этапах жизни Вселенной, когда никаких звезд еще не было. Различные экспериментальные и теоретические исследования показали, что вклад в темную материю могут давать только черные дыры определенной массы, однако первичные черные дыры до сих пор не исключили.
Первичные черные дыры выгодно отличаются от остальных кандидатов на роль темной материи тем, что позволяют разрешить проблему каспо (cuspy halo problem). Она состоит в том, что компьютерные модели эволюции галактик обещают резкий рост плотности темной материи вблизи ее центра (острый пик, cusp), тогда как наблюдаемые в реальности кривые вращения указывают скорее на постоянное распределение (то есть ядро, core). Модели, где темная материя состоит из первичных черных дыр, таких пиков не дает. Кроме того, движение звезд внутри галактики, окруженной первичными черными дырами, немного отличается от движения звезд в других моделях темной материи. Считается, что наиболее заметны эти отличия будут в ультратусклых карликовых галактиках, имеющих светимость порядка тысячи светимостей Солнца.
Цижун Чжу (Qirong Zhu) из Гарвардского университета, Евгений Васильев из ФИАНа, а также Юэсин Ли (Yuexing Li) и Ипэн Цзин (Yipeng Jing) из университета Шанхая численно смоделировали эволюцию таких ультратусклых галактик в предположении, что окружающая их темная материя состоит из первичных черных дыр, и определили допустимые значения масс черных дыр.
Оказалось, что изначально острый пик распределения массы темной материи сравнительно быстро (в течение 0,1 миллиарда лет) сглаживается из-за взаимодействия черных дыр, и около центра галактики плотность темной материи выходит на постоянный уровень. Конечная плотность темной материи в центральном ядре составляет около одной-двух масс солнца на кубический парсек, в то время как плотность обычного барионного вещества примерно на два порядка меньше. При этом суммарной массы темной материи едва хватает, чтобы ультратусклая галактика начала формироваться. Из расчетов следует, что масса первичных черных дыр, составляющих темную материю лежит в диапазоне от 2 до 14 масс Солнца, что совпадает с другими теоретическими оценками.
nplus1.ru, 23 апреля 2018 Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/04/23/PBH-DM
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2018
Цижун Чжу (Qirong Zhu) из Гарвардского университета, Евгений Васильев из ФИАНа, а также Юэсин Ли (Yuexing Li) и Ипэн Цзин (Yipeng Jing) из университета Шанхая
https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/476/1/2/4797182?redirectedFrom=fulltext
https://arxiv.org/abs/1710.05032
Глава 11-18-5
Астрономы отвергли связь черных дыр и темной материи
Октябрь 2018
Одна из моделей связывает темную материю с гравитацией незаметных для нас черных дыр, но наблюдения далеких сверхновых позволяют усомниться в этой гипотезе. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.
Расчеты показывают, что львиная масса Вселенной приходится на невидимую темную материю, однако природа ее остается загадкой. Теоретические модели порой дают противоположные описания: одни говорят, что темная материя состоит из невероятно легких и слабовзаимодействующих частиц аксионов; другие связывают ее с массивными объектами звездных и галактических масштабов, которые состоят из обычных частиц барионной материи.
Одними из главных кандидатов в такие МАСНО (Massive Astrophysical Compact Halo Object, «Массивный астрофизический компактный объект гало») выступают первичные черные дыры, образовавшиеся в молодой и сверхплотной Вселенной еще до появления звезд. Массивные и плотные, в соответствии с Общей теорией относительности, эти черные дыры должны создавать деформации пространства-времени. И если свет от далекого и достаточно мощного источника проходит в окрестностях такой гравитационной линзы, он будет деформироваться и усиливаться.
Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли Мигель Зумалакареджи (Miguel Zumalacárregui) и Урош Селяк (Uroš Seljak) рассмотрели, насколько часто гравитационные линзы искажают и усиливают свет далеких сверхновых, чтобы дать верхнюю оценку количества невидимых нам черных дыр и их возможного вклада в темную материю.
Изучение данных по 740 ярчайшим сверхновым показало, что даже если черные дыры действительно вносят вклад в феномены, которые связывают с темной материей, то составляет он не более 40 процентов. По словам авторов, у них на руках уже есть и пока еще не опубликованные результаты более полного анализа, который охватил более 1000 сверхновых и заставляет еще более понизить эту цифру — максимум до 23 процентов.
«Что такое темная материя? Похоже, хорошие варианты у нас закончились, — говорит профессор Урог Селяк. — Это задача для следующих поколений».
Naked Science, 3 октября 2018
https://naked-science.ru/article/sci/astronomy-otvergli-svyaz-chernyh-dyr-i
Журнал Physical Review Letters. 2018
Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли Мигель Зумалакареджи (Miguel Zumalacárregui) и Урош Селяк (Uroš Seljak)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.141101
Глава 11-18-6
Темной материи запретили состоять из черных дыр с массой Луны
Апрель 2019
Низкая вероятность линзирования звезд позволила установить самые строгие ограничения на долю первичных черных дыр с массами порядка лунной. Результаты наблюдений десятков миллионов светил в Туманности Андромеды показывают, что доля таких тел в темной материи составляет не более процента. Тем не менее, еще более легкие первичные черные дыры могут составлять существенную часть темной материи, их вклад пока не удалось ограничить. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.
Большинство теорий с наиболее массивными «частицами» темной материи предлагают на их роль первичные черные дыры (ПЧД) — образовавшиеся в ранней Вселенной тела, не являющиеся продуктом эволюции звезд, что отличает их от обычных черных дыр. Идеи об их существовании были предложены еще в 1960-х, но с открытием гравитационных волн ПЧД стали намного популярнее, так как массы сливающихся объектов оказались достаточно велики, а сценарии звездной эволюции предсказывают в большинстве случаев более легкие тела. Существуют различные способы ограничить существование ПЧД. В частности, объекты легче 1015 грамм (10-18 масс Солнца) должны были испариться за счет излучения Хокинга за время существования Вселенной, а тяжелее 1035 грамм (100 масс Солнца) приводили бы к слишком сильному искажению реликтового излучения, чего не наблюдается в реальности.
В работе международного коллектива астрофизиков из Японии, США и Индии использован метод гравитационного микролинзирования для оценок количества ПЧД в гало Млечного Пути и Туманности Андромеды. Для этого ученые в течение семи часов подряд одновременно наблюдали несколько десятков миллионов звезд Туманности Андромеды при помощи 900-мегапиксельной камеры Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru с диаметром главного зеркала в 8,2 метра. Авторов данного исследования интересовали события микролинзирования, при которых массивный объект проходит близко к линии, соединяющей наблюдателя и звезду, из-за чего яркость последней на короткое время заметно изменяется.
Если бы ПЧД с массами, достаточными для оказания заметного гравитационного влияния на прохождение света, составляли заметную долю темной материи, то в результате подобного наблюдения ученые зафиксировали бы множество событий микролинзирования. Однако в реальности им удалось заметить только один подобный случай, что позволяет установить сильные ограничения на вклад ПЧД в массами от 10-11 до 10-6 солнечных (от 0,001 до 100 масс Луны): их доля составляет не более одного процента.
Однако результаты данной работы не исключают возможности существенного вклада ПЧД в темную материю, вплоть до 100 процентов для достаточно узкого диапазона еще меньших масс. Также стоит отметить, что все реалистичные спектры масс черных дыр не монохроматичны, то есть предполагают существование объектов разных масс. Тем не менее, все они должны соответствовать строгим ограничениям данной работы. Также авторы отмечают, что наблюдения Туманности Андромеды являются наилучшим способом установления подобных ограничений.
nplus1.ru, 2 апреля 2019, Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/04/02/primordial-black-holes-dark-matter
Журнал Nature Astronomy
https://www.nature.com/articles/s41550-019-0723-1
Глава 11-18-7
Первичные черные дыры и поиски темной материи в Мультивселенной
Январь 2021
Японский Физико-математический институт имени Кавли (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Kavli IPMU) славится обилием междисциплинарных проектов, возможных, благодаря наличию большого числа высококвалифицированных специалистов в разных областях научного знания. Один из таких проектов состоит в изучении черных дыр, которые могли формироваться в ранней Вселенной, прежде чем сформировались звезды и галактики. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Такие первичные черные дыры могут отвечать за всю темную материю Вселенной или некоторую ее часть, за некоторые из наблюдаемых гравитационно-волновых сигналов, а также служить зародышами сверхмассивных черных дыр, расположенных в центре нашей и других галактик.
Чтобы лучше понять первичные черные дыры, команда под руководством Александра Кусенко из Kavli IPMU, обратилась к изучению ранней Вселенной. Ранняя Вселенная была настолько плотной, что любая положительная флуктуация плотности величиной более 50 процентов могла привести к формированию черной дыры. Однако науке известно, что величины космологических возмущений, давших начало зародышам галактик, были намного меньше. Тем не менее, ряд процессов, протекавших в ранней Вселенной, мог привести к возникновению условий, благоприятствующих формированию черных дыр.
Одна из интригующих возможностей состоит в том, что первичные черные дыры могли формироваться из «дочерних Вселенных» в ходе инфляции, периода стремительного расширения Вселенной, который, как считается, дал начало основным структурам, наблюдаемым в современном мире, таким как галактики и скопления галактик. Относительно малые дочерние Вселенные коллапсировали с выделением большого количества энергии в небольшом объеме и формировали таким образом черные дыры, пояснили авторы. Большие дочерние Вселенные испытывали инфляционное расширение, однако, согласно положениям теории относительности Эйнштейна, после расширения они становились огромными лишь для внутреннего наблюдателя, в то время как для внешнего наблюдателя – то есть нас с вами – эти дочерние Вселенные также должны были представляться черными дырами, добавили они.
В своей работе команда Кусенко описала новый сценарий формирования первичных черных дыр и показала, что черные дыры, формирующиеся по сценарию Мультивселенной, могут быть обнаружены при помощи камеры Hyper Suprime-Cam (HSC) 8,2-метрового телескопа «Субару». Уникальность данной камеры состоит в том, что она может делать подробные снимки всей галактики Андромеда целиком – и если в это время перед одной из звезд галактики проходит первичная черная дыра, то становится возможным определение массы такой черной дыры. Ранее команда из Kavli IPMU уже сообщала в опубликованном исследовании (Takada et. al., 2019, Nature Astronomy 3, 524-534) об интригующем новом кандидате на роль первичной черной дыры, обнаруженном при помощи камеры HSC.
aboutspacejornal.net, 1 января 2021
https://aboutspacejornal.net/2021/01/01/первичные-черные-дыры-и-поиски-темной/
журнал Physical Review Letters. 2020
Александр Кусенко из Kavli IPMU,
Глава 11-18-8
Исследование исключает первичные черные дыры из кандидатов на роль темной материи
Декабрь 2022
Ученые из Женевского университета, Римского университета Сапиенца и NICPB недавно провели теоретическое исследование, в котором рассматривалась гипотеза о том, что изначально сгруппированные могут быть кандидатами в темную материю. Статья была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Ученые предполагают, что в течение доли секунды до образования Вселенной пространство не было полностью однородным, поэтому более плотные и горячие области могли коллапсировать в черные дыры. В зависимости от того, когда именно они были сформированы в течение этой доли секунды, эти ПЧД могли иметь разные массы и связанные с ними характеристики.
Некоторые физики считают, что ПЧД вносят значительный вклад в прогнозируемое изобилие темной материи во Вселенной. Наблюдения гравитационных волн, собранные в рамках сотрудничества LIGO-Virgo-KAGRA, и ограничения, установленные этими наблюдениями, предполагают, что это крайне маловероятно.
Тем не менее, некоторые исследования показали, что кластеризация ПЧД во время их формирования может изменить скорость их слияния, что потенциально позволит получить значения в пределах ограничений, установленных LIGO-Virgo-KAGRA. Эта кластеризация также потенциально повлияла бы на существующие ограничения микролинзирования, поскольку кластеры ПЧД будут действовать как массивная одиночная линза, которую нельзя изучать с помощью исследований микролинзирования.
«Наша работа была мотивирована утверждением, что первичные черные дыры с массами, близкими к массе Солнца, могли бы избежать нынешних сильных ограничений, связанных с микролинзированием, если бы они были сильно сгруппированы», – сказал Антонио Риотто, один из авторов статьи. – «Наше исследование доказало, что это утверждение неверно. Идея проста: сгруппированные ПЧД могут избежать ограничений микролинзирования, если кластеризация достаточно сильна, но это будет противоречить другому набору данных, поступающему из леса Лайман-альфа, который предполагает что для этого потребуется слабая кластеризация».
В своих анализах Риотто и его коллеги объединили ограничения микролинзирования, установленные предыдущими астрономическими наблюдениями, с данными из леса Лайман-альфа. Лес Лайман-альфа – это явление поглощения, которое можно наблюдать с помощью инструментов астрономической спектроскопии, проявляющееся в виде линий поглощения в спектрах далеких галактик и квазаров.
В своей статье исследователи показали, что данные леса Лайман-альфа предполагают, что для того, чтобы избежать существующих ограничений микролинзирования, ПЧД должны быть слабо, а не сильно кластеризованы, что противоречит теории, которую они рассматривали.
«Наш анализ исключает возможность того, что ПЧД могут быть темной материей Вселенной, если они имеют массы, аналогичные массам звезд», – сообщил Риотто.
astronews.ru, 2 декабря 2022
Журнал Physical Review Letters. 2022
Антонио Риотто из Женевского университета
Глава 11-18-9
Найдены новые доказательства существования темной материи вокруг черных дыр
Март 2023
Исследователи из Китая подробно изучили две ближайшие двойные системы, содержащие звезду и черную дыру звездной массы, и нашли новые косвенные доказательства существования плотной темной материи вблизи их черных дыр. Примененная авторами модель динамического трения позволила также объяснить поведение звезд-компаньонов намного лучше, чем любая другая теория, не учитывающая темную материю. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Темная материя не излучает и не отражает свет, поскольку никак не участвует в электромагнитном взаимодействии, что делает ее исключительно сложным объектом для обнаружения. Многие современные исследования направлены на поиски доказательств существования этой формы материи или методов, которые позволили бы ее обнаружить. И все, чем могут располагать ученые, — знание, что гипотетические частицы темной материи взаимодействуют друг с другом и другими частицами только гравитационно, и то, что этой невидимой материи примерно в пять раз больше, чем наблюдаемого нами вещества. Тем не менее, известно с десяток теоретических и наблюдательных косвенных доказательств существования темной материи.
Очередное доказательство существования темной материи предложил дуэт астрофизиков из Университета образования Гонконга (КНР). Ученые выбрали в качестве объектов исследования две ближайшие рентгеновские двойные системы, состоящие из черной дыры звездной массы и звезды-компаньона — A0620-00 и XTE J1118+480. Системы, находящиеся в трех и шести тысячах световых лет от Солнца, активны и излучают в рентгеновском диапазоне при падении вещества звезды-компаньона на черную дыру.
Вращаясь вокруг своих черных дыр, звезды-компаньоны постепенно замедляются со скоростью примерно в одну-две миллисекунды в год, согласно наблюдениям астрономов. Однако стандартная теоретическая оценка дает значение на два порядка ниже, а именно — 0,02 миллисекунды в год. При этом учет возможного магнитного торможения или влияния приливных сил не предоставляет желаемого результата и тоже расходится с наблюдательными данными.
Авторы решили применить модель динамического трения к темной материи Суть модели заключается в том, что звезда, движущаяся в плотной среде из частиц темной материи, будет гравитационно притягивать их, создавая повышенную концентрацию частиц позади себя.
Это еще более плотное скопление частиц темной материи, в свою очередь, будет оказывать коллективное гравитационное воздействие на звезду, замедляя ее. Эффект динамического трения был предложен более 70 лет назад лауреатом Нобелевской премии астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром и, на удивление авторов исследования, ранее его не применяли к подобным системам.
В данном этот эффект позволил получить наиболее близкие к наблюдаемым значениям скорости замедления звезды-компаньона. Ученые надеются применить такую модель к другим двойным системам, которых только в нашей Галактике не менее 18 штук.
naked-science, 22 марта 2023, Даниил Сухинов
https://naked-science.ru/article/astronomy/temnota-vokrug-chernyh-dy
The Astrophysical Journal Letters, март 2023,
Университет образования Гонконга (КНР)
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acaafa
Часть 11-19
Космология и темная материя
Содержание
(том – часть – глава)
11-19-1. Темная материя и космология
11-19-2. Стандартная космологическая модель (ΛCDM)
11-19-3. Стандартная космологическая модель (ΛCDM)
11-19-4. Ускоренное время избавило физиков от темной материи
11-19-5. Космологи предложили объяснение дефициту темной материи во Вселенной
11-19-6. Физики выяснили, сколько тёмной материи потеряла Вселенная
11-19-7. Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении
11-19-8. «Светлые» и «темные» галактики указали на возможный переворот в космологии
11-19-9. Интервью с Николаем Горькавым
11-19-10. Далекие галактики раскрывают истинную природу темной материи
11-19-11. Темная материя может быть следствием существования «Антивселенной», противоположной нашему миру
Глава 11-19-1
Темная материя и космология
Исследования реликтового излучения, в частности, выявление высокой степени его изотропности, дали толчок развитию космологии. Так, в 1982 году Джим Пиблс высказал идею, что противоречие между отсутствием существенных флуктуаций плотности барионной материи в момент рекомбинации и современной крупномасштабной структурой Вселенной, которая не успела бы развиться за прошедшее с этого момента время, может быть устранено предположением о большом количестве небарионной материи. Рост её флуктуаций способствовал бы формированию наблюдаемых неоднородностей распределения масс, никак не отпечатавшись при этом в реликтовом излучении.
Сформулированная в 1980-х годах гипотеза инфляции, объяснявшая изотропность реликтового излучения, предполагала и то, что Вселенная является плоской и что, как следствие, плотность её вещества в точности равна критической. Поскольку оценки плотности обычного барионного вещества давали лишь ничтожную долю этой величины, это означало, в свою очередь, необходимость существования тёмной материи.
В 1980-х годах, когда гипотеза тёмной материи уже установилась в качестве общепринятой, её исследования сфокусировались на том, что именно она собой представляет, каковы её свойства и роль в эволюции Вселенной. Это осуществлялось с помощью активно развивавшегося тогда благодаря прогрессу вычислительной техники численного моделирования, результаты которого сравнивались с полученными данными наблюдений.
Важную роль, например, сыграл обзор красных смещений CfA1 и затем его второй этап CfA2. А начиная со следующего десятилетия интерес сместился к моделированию вида распределения тёмной материи в галактических гало. В начале XXI века появилась возможность использовать более точные и полные обзоры неба: 2dFGRS и последующий 6dFGS; самым подробным на настоящий день является SDSS. Численное моделирование космологической эволюции, в частности, роли тёмной материи в этом процессе, также стало более точным и масштабным: получили известность такие проекты как Millennium, Bolshoi Simulation и Illustris.
Глава 11-19-2
Стандартная космологическая модель (ΛCDM)
ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, читается: «лямбда-си-ди-эм») — современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели, для согласования с наблюдениями (в частности, космической обсерватории «Планк») возраст Вселенной должен быть принят равным 13,799 ± 0,021 миллиарда лет.
Большинство современных космологических моделей основано на космологическом принципе, который утверждает, что наше местоположение во Вселенной никак особенно не выделяется и что на достаточно большом масштабе Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (изотропна) и из каждого места (однородность). Этот принцип представляет собой не безусловное требование-постулат, а скорее презумпцию — то есть считается верным, пока не доказано обратное.
С конца 1980-х — начала 1990-х годов большинство космологов предпочитают теорию существования холодной тёмной материи для описания того, каким образом Вселенная из начального относительно однородного состояния на раннем этапе развития (как показывает распределение космического микроволнового излучения) перешла в состояние современного клочковатого распределения галактик и скоплений галактик.
Предполагается, что общая теория относительности является правильной теорией гравитации на космологических масштабах. И объясняет расширение Вселенной, которое хорошо подтверждается космологическим красным смещением спектров удалённых галактик и квазаров.
Собственно ΛCDM возникла в конце 1990-х годов и включает в себя космологическую инфляцию на ранних стадиях Большого взрыва для объяснения пространственной плоскостности Вселенной и начального спектра возмущений.
Глава 11-19-3
Стандартная космологическая модель (ΛCDM)
История возникновения ΛCDM
Открытие космического микроволнового фона в 1965 году подтвердило ключевое предсказание космологии Большого Взрыва. С этого момента было принято считать, что Вселенная расширяется с течением времени, а раннее её состояние было плотным и горячим.
Скорость расширения зависит от содержания и типа вещества и энергии во Вселенной и, в частности, от того, является ли полная плотность выше или ниже так называемой критической плотности. В 1970-х годах основное внимание космологов привлекала чисто барионная модель, но в этом подходе были серьёзные проблемы объяснения образования галактик, учитывая очень небольшую анизотропию реликтового излучения, на которую уже тогда были получены серьёзные оценки сверху. В начале 1980-х годов стало ясно, что эта проблема может быть решена, если предположить, что холодная тёмная материя доминирует над барионной.
Различные модели предлагают разные соотношения обычных и тёмных энергий и масс. В 1980-х годах большинство исследований фокусировалось на модели холодной тёмной материи с критической плотностью при соотношении около 95 % тёмной материи и 5 % барионов: эти работы успешно объясняли формирование галактик и скоплений галактик, однако в 1990-х оказалось, что результаты по спектру крупномасштабного распределения галактик в сочетании с измеренной анизотропией реликтового излучения противоречат такой модели.
Модель ΛCDM стала стандартом вскоре после открытия ускорения расширения Вселенной в 1998 году, так как упомянутые противоречия были просто и естественно в ней решены. Современные наблюдения, в частности измерение постоянной Хаббла, показывают отклонения от ΛCDM модели, использующей FLRW метрику.
Комментарий
Глава 11-19-4
Ускоренное время избавило физиков от темной материи
Май 2015
Пьер Магейн (Pierre Magain) и Клементин Ауре (Clémentine Hauret) из Льежского университета (Бельгия) представили космологическую модель, в рамках которой скорость течения времени после Большого Взрыва могла существенно изменяться в зависимости от энтропии. Если время в нашей Вселенной реально имеет такую природу, астрономические наблюдения сверхновых типа Ia могут быть объяснены без необходимости в темной материи. Работа направлена в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, опубликована в arXiv.org.
В рамках работы ученые предложили два понятия времени - глобальное (космологическое) и локальное (координатное). Глобальное время в их представлении - это некоторый параметр t, которым занумерованы трехмерные «срезы» четырехмерного пространственно-временного континуума. Вселенная в такой модели берется на достаточно больших масштабах и считается усредненной и однородной. Эти срезы есть состояния пространства вместе со всей материей в ней в каждый момент времени. Локальное время - это время, которое может измерить наблюдатель с помощью некоторых часов в фиксированной системе координат в окрестности некоторой точки пространства.
Традиционно эти два параметра (в отсутствии материи, разумеется) совпадают. Однако Магейн и Ауре решили, что, вообще говоря, два времени совпадать не обязаны. Так как глобальное время довольно сложный для работы параметр, физики предложили взять в качестве меры этой величины энтропию. Соответственно, локальное время меняется как функция энтропии в окрестности выбранной за начало координат точке пространства
В рамках теории относительности время для часов движущихся относительно неподвижного наблюдателя течет медленнее, чем для часов этого наблюдателя, однако предполагается, что время тех часов, что находятся в покое течет с постоянной (без учета действия на них гравитации) скоростью на протяжении всего существования Вселенной. Магейн и Ауре идут на один шаг дальше этой точки зрения и выдвигают гипотезу, согласно которой скорость течения времени неподвижных часов зависит от динамического состояния Вселенной.
Разбирая вопрос о скорости течения космологического времени, которое в их модели отличается от координатного, авторы приходят к выводу, что по мере роста энтропии Вселенной космологическое время замедляется. В такой модели далекие объекты, движущиеся с постоянной «космологической» скоростью от наблюдателя кажутся ему ускоряющимися.
Это, в свою очередь, означает, что в их модели наблюдаемое по яркости вспышек сверхновых типа Ia ускоренное расширение Вселенной на протяжении последних 6 миллиардов может быть вызвано не космологической константой (темной энергией), а именно замедлением космологического времени. Для нас, как локальных наблюдателей, оно создает впечатление мнимого ускорения расширения Вселенной, практически неотличимое от реального.
Энтропия черной дыры пропорциональна площади её горизонта, деленной на квадрат т.н. гравитационной длины Планка (10–33см). Из-за очень малой величины последней для нормальной черной дыры значение энтропии получается чрезвычайно большим, на много порядков больше, чем от любого другого источника. В то же время совершенно не ясно, из чего конкретно она могла бы складывается, поскольку никаких явных компонентов, которые своим хаотичным движением могли бы способствовать беспредельному увеличению энтропии в черной дыре не известно. С учетом того, что точная численность и масса всех ЧД Вселенной на сегодня также неизвестна, авторы специально оговаривают, что источники энтропии влияют на скорость течения времени только если они связаны с данным районом причинно-следственные связями. Благодаря этому бельгийцы исключают из общего бюджета энтропии во Вселенной черные дыры – все, что находится в пределах горизонта событий черных дыр не имеет прямых связей с остальной пространством-временем.
Базируясь на оценке уровня роста энтропии за время после Большого взрыва, исследователи оценивают давность этого события в 15,0±0,5 миллиарда лет (для равномерного течения времени), что значительно древнее нынешних оценок (13,7-13,8 миллиарда лет). Таким образом в их сценарии значительно проще выглядит вопрос о том, как могли возникнуть те отдаленные галактики, возраст которых по красному смещению оценивается более чем в 13 миллиардов лет. Последние открытия такого рода означают, что в рамках Стандартной модели на их формирование (включая предшествующую эпоху реионизации) отводит довольно мало времени. Поэтому для объяснения формирования галактик, среди прочего, используют темную материю.
Авторы полагают, что их гипотезу нельзя проверить с помощью анализа красного смещения. Если их модель верна, то все существующие физические законы должны быть функцией изменяющегося по скорости космологического времени. А значит фотоны от отдаленных источников будут испытывать такое же красное смещение, как и при нынешней стандартной космологической модели Лямбда-CDM.
Поэтому для проверки своей космологической модели ученые решили сверить ее с диаграммой Хаббла, использующей сверхновые типа Ia. В диаграмме сопоставляется их абсолютная светимость (принятая за константу) с красным смещением доходящих от нее фотонов. Авторы учли 580 сверхновых этого типа, указанных в публикации Supernova Cosmology Project от 2012 года. В итоге такого сравнения их космологическая модель показывает среднюю плотность материи во Вселенной равной Ω°=0,051±0,014, что удовлетворяет наблюдаемым значениям обычной (барионной) материи. Таким образом она не требует привлечения экзотической темной материи, длительные поиски которой пока не увенчались решительным успехом. По мнению авторов, это выгодно отличает модель с переменной скоростью космологического времени от нынешней Стандартной модели, где скорость течения времени постоянна.
С другой стороны темная материя привлекается не только для объяснения формирования крупных галактик на раннем этапе развития Вселенной. Кривая вращения галактик, как известно, указывает, что звезды в рукавах спиральных галактиках вращаются вокруг центра с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от этого центра. В то же время по расчетам, учитывающим лишь гравитационное воздействие обычной материи, этого быть не может. В настоящее время данную проблему решают, привлекая для объяснения темную материю, предположительно находящуюся в гало вокруг галактик и своей гравитацией «раскручивающую» внешние части галактик до наблюдаемых скоростей.
Наконец, ученые используют темную материю и для закрытия ряда других непростых вопросов. В частности, наблюдения излучения от газа в галактических скоплениях рентгеновским телескопом «Чандра» указывает, что видимая часть массы скоплений галактик в 7-8 раз меньше чем нужно, чтобы удержать их вместе своей гравитацией. Тот факт, что скопления явно существуют указывает, что основная часть материи окружающей Вселенной нами пока не регистрируется.
nplus1.ru, 13 мая 2015,
https://nplus1.ru/news/2015/05/13/cosmologictime
Сайт arXiv.org, 2015
Пьер Магейн (Pierre Magain) и Клементин Ауре (Clémentine Hauret) из Льежского университета (Бельгия)
http://arxiv.org/abs/1505.02052
Глава 11-19-5
Космологи предложили объяснение дефициту темной материи во Вселенной
Январь 2016
Современная теория инфляции описывают особенности формирования Вселенной на временном промежутке от 10-36 секунды после Большого Взрыва до 10-32 секунды, что помогает физикам объяснить происхождение крупномасштабной структуры космоса. Препринт статьи размещен на сайте arXiv.org.
Во время инфляции происходило резкое расширение пространства в миллиардные доли секунды. В самом начале, когда Вселенная была сверхгорячей и сверхплотной, гипотетические частицы темной материи в больших количествах сталкивались друг с другом и аннигилировали с выделением энергии. Однако по мере того, как Вселенная увеличивалась, такие столкновения происходили все реже и реже. Можно теоретически подсчитать оставшееся количество темного вещества. Однако, во Вселенной должно находиться больше темной материи, чем наблюдают астрономы.
Ученые решили модифицировать инфляционную модель расширения Вселенной. Они предположению, каждый раз когда потенциальная энергия скалярного поля превышает общую плотность энергии пространства, начинается экспоненциальное расширение Вселенной. Такое явление может происходить несколько раз, но оно не нарушает стандартную модель развития Вселенной, если будет иметь место до эпохи первичного синтеза атомных ядер. Когда такая вторичная инфляция заканчивается, Вселенная нагревается. Согласно предложенной модели, именно энтропийные процессы, происходящие во время нагрева, стали причиной распада частиц темной материи.
Модель вторичной инфляции может подсказать, какими свойствами должны обладать частицы темной материи, чтобы их в дальнейшем можно было бы обнаружить в экспериментах с ускорителями.
nplus1, 15 января 2016, Александр Еникеев
https://nplus1.ru/news/2016/01/15/inflatabledarkmatter
Сайт arXiv.org. Июль 2015
http://arxiv.org/abs/1507.08660
Глава 11-19-6
Физики выяснили, сколько тёмной материи потеряла Вселенная
Декабрь 2016
Доля нестабильных частиц в составе тёмной материи во времена сразу после Большого взрыва не превышала 2-5%, выяснили ученые из МФТИ, Института ядерных исследований РАН, и Новосибирского госуниверситета. Работа опубликована в журнале Physical Review D.
«Расхождение космологических параметров в современной Вселенной и во Вселенной вскоре после Большого взрыва, можно объяснить тем, что доля тёмной материи уменьшилась. Мы впервые смогли рассчитать, на сколько тёмной материи стало меньше и насколько велика была нестабильная компонента», — говорит соавтор исследования академик Игорь Ткачёв, заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН и преподаватель кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.
Природа тёмной материи до сих пор остаётся неизвестной, однако, похоже, именно её свойства помогут учёным решить проблему, возникшую перед ними после анализа результатов наблюдений космического телескопа «Планк». Этот аппарат с высокой точностью измерял флуктуации температуры реликтового микроволнового фона — «эха» Большого взрыва. Измеряя эти флуктуации, учёные смогли вычислить ключевые космологические параметры Вселенной в эпоху рекомбинации — примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва.
«Выяснилось, что некоторые из этих параметров, а именно параметр Хаббла, описывающий скорость расширения Вселенной, а также параметр, связанный с количеством галактик в скоплениях, значительно расходятся с данными, которые мы получаем из наблюдений за современной Вселенной, например, непосредственно измеряя скорость разлета галактик и исследуя скопления. Это расхождение оказалось значительно больше погрешностей и известных нам систематических ошибок. Поэтому либо мы имеем дело с некоей неизвестной нам ошибкой, либо состав древней Вселенной существенно отличался от современного», — говорит Ткачёв.
Объяснить расхождение позволяет гипотеза распадающейся тёмной материи, согласно которой в ранней Вселенной тёмной материи было больше, затем часть ее распалась. Эта модель получила обозначение DDM (от Decaying Dark Matter).
«Представим, что тёмная материя состоит из нескольких компонент, как и обычная (протоны, электроны, нейтроны, нейтрино, фотоны). И одна компонента состоит из нестабильных частиц, чьё время жизни довольно большое: в эпоху образования водорода (сотни тысяч лет после Большого взрыва) они ещё есть во Вселенной, а к современному моменту (миллиарды лет) они уже исчезли, распавшись в нейтрино или гипотетические релятивистские частицы. Тогда количество тёмной материи в эпоху образования водорода и сегодня будет разным», — говорит ведущий автор исследования, профессор МФТИ и сотрудник ИЯИ РАН Дмитрий Горбунов.
Авторы исследования, Игорь Ткачёв, Дмитрий Горбунов и Антон Чудайкин из ИЯИ РАН, МФТИ и НГУ проанализировали данные «Планка» и сопоставили их с моделью DDM и общепринятой моделью ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) со стабильной тёмной материей. Сравнение показало, что DDM больше соответствует данным наблюдений. Однако учёные обнаружили, что эффект гравитационного линзирования ограничивает долю распадающейся тёмной материи в модели DDM.
Использование данных наблюдений обсерватории различных космологических эффектов дало оценку относительной концентрации распадающейся компоненты тёмной материи в пределах от 2% до 5%.
«Это означает, что в сегодняшней Вселенной на 5% меньше тёмной материи, чем было в эпоху рекомбинации. Мы сейчас не можем сказать, как быстро распалась эта нестабильная часть, возможно, что тёмная материя продолжает распадаться и сейчас, хотя это уже другая значительно более сложная модель», — говорит Ткачёв.
naked-science.ru, 14 декабря 2016
https://naked-science.ru/article/physics/fiziki-vyyasnili-skolko-tyomnoy
Журнал Physical Review D. 2016
Игорь Ткачёв, Дмитрий Горбунов и Антон Чудайкин из ИЯИ РАН, МФТИ и НГУ
http://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.94.023528
Глава 11-19-7
Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении
Июнь 2021
Американские физики теоретически обосновали возможность существования особого типа сил, которые объясняют свойство темной материи ускользать от наблюдений. Для их описания авторы применили математический подход на основе принципа дополнительных измерений. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of High Energy Physics.
Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде предположили, что в пространстве-времени есть дополнительное измерение, в котором и надо искать темную материю. Эта гипотеза представляет собой вариант теории самовзаимодействующей темной материи (SIDM — Self-interacting dark matter) — согласно ей, фактически невидимые частицы взаимодействуют между собой посредством неизвестной темной силы, результате чего перестают вести себя как частицы и становятся совершенно невидимыми.
«Мы живем в океане темной материи, но очень мало знаем о том, чем она может быть. Мы знаем, что она существует, но не знаем, как ее искать, и не можем объяснить, почему не обнаружили ее там, где мы этого ожидали, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Филипа Танедо (Philip Tanedo). — За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что взаимодействиями темной материи могут управлять скрытые темные силы. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темную материю».
Авторы доказали, что действие темных сил, благодаря которым частицы взаимно притягиваются или отталкиваются, можно описать с помощью математической теории дополнительных измерений.
Исследователи отмечают, что, хотя дополнительные измерения могут показаться экзотической идеей, на самом деле это известный математический прием для описания трехмерных квантово-механических полей, не содержащих обычных частиц. В математике он называется голографическим принципом. Считается, что для описания природных систем он не подходит.
Обычные силы описываются одним типом частиц с фиксированной массой. Ключевая особенность предложенной авторами теории заключается в том, что частицы темной материи описываются как континуум — бесконечное количество с разными массами.
По словам авторов, предыдущие модели темной материи строились на теориях, имитирующих поведение видимых частиц. Но в реальном мире не существует аналогов темных сил, и реальная материя может не взаимодействовать с ними.
Исследователи называют свою модель “континуумной” версией теории самовзаимодействующей темной материи. В отличие от классического варианта, в ней описываются взаимодействия не одинаковых частиц, а их континуума.
«Наша модель идет дальше и упрощает объяснение космического происхождения темной материи, чем модель самовзаимодействующей темной материи. Это более реалистичная картина для темной силы», — заключил Танедо.
aboutspacejornal.net, 03 июня 2021
Журнал Journal of High Energy Physics.
Филип Танедо (Philip Tanedo).
Калифорнийский университет в Риверсайде
Глава 11-19-8
«Светлые» и «темные» галактики указали на возможный переворот в космологии
Июнь 2021
Новые наблюдения за галактикой в созвездии Кита показали, что там есть звезды, но нет темной материи. Это тревожащий вывод, ведь ранее считали, что без нее никакие галактики не возникают. Открытие опрокидывает целый класс физических теорий, пытавшихся указать на «переменчивость» законов тяготения. Похоже, ближе к истине оказалась гипотеза, согласно которой темная материя состоит из экзотических скоплений черных дыр. Интересно, что если все так, то казавшаяся неизбежной будущая гибель нашей Вселенной может и не состояться.
Впервые астрономы из Йельского университета заподозрили, что с галактикой NGC 1052-DF2 что-то не так, еще в 2018 году. Тогда снимки «Хаббла» показали, что масса обычной материи — звезд и газа — совпадает с массой галактики в целом, расхождение не превышало нескольких процентов. Последнюю определяют по воздействию ее тяготения на скорость движения ее же звезд, поэтому практически всегда можно выяснить, есть ли там темная материя.
Открытие вызвало недоверие, поскольку выглядело невероятным. Поясним: по современным представлениям, галактики и звезды в них вообще не могли бы возникнуть без гало темной материи, в которое погружена, как считалась, каждая галактика Вселенной. Дело в том, что масса темной материи в разы больше, чем обычной, и именно она в основном и притягивала молекулы вещества в ту или иную галактику на этапе ее возникновения. Выходит, галактик без темной материи просто не должно быть.
Некоторые ученые предположили, что открытие основано на переоценке расстояния до NGC 1052-DF2. Если она ближе, чем кажется астрономам, оценки компонентов ее масс «плывут», «возвращая» темную материю внутрь галактики. Появилась работа, оценившая расстояние до нее всего в 42 миллиона световых лет, а не в 65 миллионов, как в исходной работе Йельского университета. Тогда она «выглядела» вполне нормальной, с разумной долей темной материи.
Совсем недавно другая группа астрономов попробовала проверить эту гипотезу и особо точно определить расстояние до NGC 1052-DF2. Для этого они использовали снимок красного сверхгиганта на окраине этой галактики, сделанный «Хабблом». Красные сверхгиганты на определенных стадиях эволюции имеют практически одинаковые светимости вне зависимости от массы. Поэтому из абсолютной светимости, наблюдаемой в земные телескопы, легко выяснить расстояние до такой звезды — и, конечно, ее галактики.
Оказалось, ошибка была — вот только не в ту сторону, что все ожидали. Расстояние до нее составило 72 миллиона световых лет, а не 65 миллионов, как считалось ранее. Значит, доля темной материи там еще ниже, чем те несколько процентов, что подозревали до сих пор. В ней как минимум в 400 раз меньше темной материи, чем должно быть, исходя из массы ее обычной материи. Интересно, что в прошлом году подобные оценки были получены для другой галактики в том же секторе — NGC 1052-DF4. Исходно они возникли в одном месте, но затем пути разошлись — и сейчас между ними 6,5 миллиона световых лет.
naked-science.ru, 26 июня 2021, Александр Березин
https://naked-science.ru/article/astronomy/darkmatterisnowimp?utm_source=inarticle&utm_medium=inarticle&utm_campaign=inarticle
Глава 11-19-9
«Светлые» и «темные» галактики: две стороны одного удара. Интервью с Николаем Горькавым
Июнь 2021
Николай Горькавый прокомментировал эту непростую ситуацию. Как он считает, стоит прежде всего задуматься, есть ли другие «аномальные» в плане темной материи галактики? Он напоминает, что известны и такие, где темной материи, напротив, намного больше, чем должно быть. Например, известная галактика Стрекоза-44 в скоплении Волос Вероники.
Это исключительное образование имеет массу в 160 миллиардов масс Солнца — на порядок больше, чем у Млечного Пути, где живем мы. Вот только светимость Стрекозы-44 в 100 раз ниже, чем у нашей Галактики — то есть обычной массы там порядка на два меньше. Выходит, она насыщеннее темной материей, чем та галактика, где находимся мы, — как минимум в сотни раз.
Как отмечает Горькавый, весьма вероятно, что разреженные галактики без темной материи — просто обратная сторона того же процесса, который создает разреженные галактики типа Dragofly 44, где темной материи, наоборот, очень много, а звезд мало.
Когда две обычные галактики, продолжает ученый, сталкиваются, обычная и темная материи в них должны вести себя по-разному. Газовые облака (обычная материя) эффективно тормозят друг друга взаимодействием молекул газа. В итоге они «слипаются» и создают примерно сферическое итоговое газовое облако, из которого потом «вырастут» звезды.
А вот два гало из темной материи обеих исходных галактик — совсем другая история. Они так слабо взаимодействуют с обычным веществом (только тяготением), что без особых помех пролетают место межгалактического столкновения и движутся дальше.
На месте удара остается «светлая» галактика типа NGC 1052-DF2 — с газом и возникающими из него звездами, но почти без темной материи. В сторону от этого района улетают «темные галактики» типа Dragofly 44. Как отмечает физик, эффект разделения темной материи и газа уже был зафиксирован ранее в скоплении Пуля, свет от которой шел до нас 3,7 миллиарда лет.
Почему это вообще важно? Дело в том, что современная космология проходит через тяжелый кризис: с одной стороны, без темной материи объяснить наблюдаемую Вселенную нельзя, а с другой — найти эту темную материю не удается. Причем не удается десятки лет подряд — ни на Большом адронном коллайдере, ни наблюдениями за космосом. Нет никакой частицы, в которую можно было бы ткнуть и сказать: вот она, частица темной материи. Более того, как мы уже писали, даже если бы она нашлась, объяснить с ее помощью все особенности поведения темной материи нельзя. Просто потому, что существующие данные о частицах и их свойствах исключают наличие таких частиц темной материи, которые могли бы объяснить ее всю. Оценки массы ТМ астрономами столь велики, что физика частиц просто не позволяет объяснить ее теми частицами, существование которых в принципе возможно — хотя бы с чисто теоретической точки зрения.
И на этом проблемы только начинаются. Темной материи, по расчетам, вчетверо больше, чем обычной, а значит, гало должны быть такими массивными, что обеспечат каждой галактике множество мелких галактик-спутников, удерживаемых гало из темной материи. Например, у Млечного Пути их должны быть сотни. На практике таковых всего несколько десятков. Аналогичная картина — в других местах. Куда делись галактики-спутники? Вдобавок в целом ряде случаев они и вращаются в одной плоскости, почти как спутники планет. Но гало темной материи, по расчетам, неизбежно должно быть шарообразным: следовательно, его тяготение должно удерживать галактики-спутники разбросанными в сфере, окружающей центральную галактику. Разбросанные в сфере, но на деле они собраны в диски. Почему так?
naked-science.ru, 26 июня 2021, Александр Березин
https://naked-science.ru/article/astronomy/darkmatterisnowimp?utm_source=inarticle&utm_medium=inarticle&utm_campaign=inarticle
Глава 11-19-10
Далекие галактики раскрывают истинную природу темной материи
Февраль 2022
В центрах спиральных галактик – как близлежащих, так и галактик удаленных от нас на расстояние в миллиарды световых лет – лежат сферические области, состоящие из частиц темной материи. Такие области имеют две определяющие характеристики – плотность, сохраняющуюся постоянной в пределах некоторого радиуса, увеличивающегося с течением времени при одновременном уменьшении плотности. Это указывает на существование прямого взаимодействия между элементарными частицами, составляющими гало темной материи, и частицами нормальной материи – такими как протоны, электроны, нейтроны и фотоны. Эта гипотеза противоречит наиболее популярной современной теории темной материи – так называемой модели Лямбда-CDM – согласно которой частицы холодной темной материи являются инертными и не взаимодействуют с другими частицами никаким иным образом, кроме гравитационного взаимодействия. Исследование опубликовано в журнале Astronomy and Astrophysics.
Эти важные находки были сделаны группой под руководством Гаури Шармы (Gauri Sharma) из Международной школы перспективных исследований SISSA, Италия, которая наблюдала большой набор из далеких галактик, расположенных на расстоянии около 7 миллиардов световых лет от нас.
До настоящего времени основные исследования по поискам темной материи были направлены на галактики, расположенные неподалеку от Млечного пути. В своей работе Шарма и ее команда задалась целью изучить распределение массы в спиральных галактиках, имеющих такую же морфологию, что и наша Галактика, но расположенных намного дальше от нас, а потому более молодых. Идея состояла в том, что изучение распределения массы в галактиках, находящихся на более ранних эволюционных этапах, поможет понять природу частиц темной материи.
В результате проведения исследования авторы нашли, что изучаемые далекие галактики также имеют гало из темной материи, и что в рамках этого гало имеется область постоянной плотности материи, начинающаяся от центра галактики до некоторого радиуса. Исследование, однако, выявило и весьма неожиданный факт, не укладывающийся в стандартные модели современной космологии – оказалось, что свойства близлежащих галактик и свойства более далеких галактик сильно различаются между собой. Так, область постоянной плотности в близлежащих галактиках имеет большие размеры и меньшую плотность. Согласно авторам, это указывает на взаимодействие между частицами темной материи и нормальной материи, которое «запрещено» в модели Лямбда-CDM.
astronews.ru, 13 февраля2022
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20220213190957
Журнал Astronomy and Astrophysics. 2022
Гаури Шарма (Gauri Sharma) из Международной школы перспективных исследований SISSA, Италия
Глава 11-19-11
Темная материя может быть следствием существования «Антивселенной», противоположной нашему миру
Март 2022
Физики выдвинули смелую гипотезу о наличии у нашей Вселенной зеркального близнеца, который может проявляться скоплениями невидимых, но притягивающих вещество нейтрино — тем, что мы называем темной материей. Новая статья принята к публикации в журнале Annals of Physics и выложена в открытой онлайн-библиотеке препринтов arXiv.org.
Новая необычная идея предполагает, что в момент Большого взрыва вместе с нашей Вселенной появилась и «зеркальная», устремившаяся по оси времени в обратном направлении. Хотя попасть в этот противоположный мир в принципе невозможно, его существование должно проявляться во Вселенной в форме пока не обнаруженной разновидности нейтрино. Скопления таких нейтрино могут создавать темную материю, частицы которой не удается найти, невзирая на все усилия физиков.
Гипотезу о существовании «зеркальной» вселенной еще несколько лет назад выдвинула команда ученых во главе с известным южноафриканским астрофизиком Нилом Туроком (Neil Turok), который сейчас работает в Манчестерском университете (Великобритания). В своей статье они рассматривают некоторые следствия из этой необычной идеи, в том числе о темной материи.
Современная наука опирается на представление о симметрии, присущей физическим законам. Она заключается в неизменности поведения системы при некоторых преобразованиях. Так, заряды частиц можно заменить на противоположные, и все взаимодействия между ними останутся прежними. Самая фундаментальная симметрия — СРТ-инвариантность — говорит о неизменности физических законов при одновременной инверсии зарядов (С), координат (Р) и времени (Т).
Науке известны различные исключения — нарушения Р- и С-симметрии, а также различных их комбинаций. Например, нарушение СР-инвариантности может приводить к доминированию частиц и почти полному отсутствию античастиц во Вселенной. Однако одновременного нарушения СРТ-симметрии пока не обнаружили: если в системе обратить на противоположные и заряды, и координаты, и время, в принципе для нее ничего не изменится.
Нил Турок и его соавторы применили СРТ-инвариантность к самой Вселенной. В такой гипотетической картине наш мир получается лишь половиной двойной системы. Его СРТ-обратный близнец путешествует по времени в противоположном направлении, имея противоположные заряды и зеркально отраженные координаты.
Расчеты показали, что такая «двойная» Вселенная позволяет довольно просто объяснить существование темной материи. Эта загадочная субстанция не видна ни одним научным инструментом, поскольку способна взаимодействовать с обычным веществом лишь посредством гравитации. Темную материю можно заметить только по притяжению обычной: например, по траекториям звезд вокруг невидимого гравитирующего скопления. Это позволяет картировать сгустки темной материи в масштабах целых галактик, но не дает возможность уловить и исследовать частицы, из которых она состоит.
До сих пор об этих частицах существуют исключительно гипотетические представления. И если отталкиваться от того, что мы живем лишь в половине из целостной «двойной» СРТ-инвариантной Вселенной, то одной гипотезой становится больше. Нил Турок с коллегами показали, что в этом случае должны появляться нейтрино новых типов.
Сегодня их известно шесть (электронное, мюонное и тау-нейтрино плюс их античастицы с противоположными зарядами), все они обладают положительным спином, хотя остальные фундаментальные частицы бывают и с положительным, и с отрицательным. Но вот в «двойной» Вселенной должны существовать и нейтрино с обратным спином. Они практически никак не взаимодействуют с обычным веществом и могут проявляться лишь в очень массовых скоплениях, за счет своей гравитации — совсем как гипотетическая темная материя. По расчетам Нила Турока и его коллег, количества таких нейтрино должно быть достаточно, чтобы наблюдались все нужные эффекты темной материи.
Необычная гипотеза позволяет сделать несколько проверяемых выводов о фундаментальных свойствах нейтрино. В частности, она предсказывает, что по меньшей мере один тип этих частиц должен быть безмассовым. Пока этот вопрос остается открытым: эксперименты позволили установить лишь верхний предел масс нейтрино. Возможно, новые работы помогут выяснить их окончательно — и мы получим первое свидетельство в пользу существования у нашей Вселенной зеркального близнеца.
naked-science.ru, 18 марта 2022, Сергей Васильев
https://naked-science.ru/article/astronomy/temnaya-materiya-mozhet-byt-sledstviem
Журнал Annals of Physics и препринт в arXiv.org.
Нил Турок (Neil Turok), Манчестерский университет (Великобритания).
https://arxiv.org/abs/1803.08930
Часть 11-20
Теория MOND
Содержание
11-20-1. Модифицированная ньютоновская динамика
11-20-2. Теория MOND
11-20-3. Мордехай (Моти) Милгром
11-20-4. Соответствие с наблюдениями
11-20-5. Дискуссии и критика
11-20-6. Скаляр-тензор-векторная теория гравитации
11-20-7. Ученые моделируют формирование галактик без темной материи
11-20-8.
11-20-9. Уникальный прогноз «модифицированной гравитации» бросает вызов темной материи
11-20-10. Новое исследование вращения галактик подтверждает гипотезу MoND
11-20-11. Физики призвали «закрыть» темную материю
11-20-12. Наша Галактика оказалась экстраординарно бедной
11-20-13. Аномалии в движении двойных звезд «нарушают» принятую теорию гравитации
11-20-14. Альтернатива темной материи не выдержала проверку Сатурном
Глава 11-20-1
Модифицированная ньютоновская динамика
Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) — физическая гипотеза, альтернативная теория гравитации, предлагающая изменение в законе тяготения Ньютона, объясняющее вращение галактик без привлечения тёмной материи. Тёмная материя была придумана для объяснения постоянной скорости обращения внешних частей галактик. Это было неожиданно, так как ньютоновская теория гравитации предсказывает, что чем дальше объект от центра, тем меньше его скорость (например, у планет Солнечной системы скорость убывает с увеличением расстояния до Солнца).
MOND была предложена Мордехаем Милгромом в 1983 году для того, чтобы смоделировать наблюдаемые постоянные скорости вращения. Милгром заметил, что ньютоновская сила гравитации подтверждена только для относительно больших ускорений, и предположил, что для малых ускорений Закон всемирного тяготения может не работать. MOND устанавливает, что ускорение зависит нелинейно от создающей его массы для малых ускорений.
MOND стоит особняком от широко распространённых и практически общепринятых теорий тёмной материи (которые предполагают наличие в каждой галактике ещё не определённого типа материи, что обеспечивает распределение массы, отличное от наблюдаемого для обычного вещества; эта «тёмная материя» концентрируется в так называемые гало, намного бо́льшие, чем видимые части галактик, и своим гравитационным притяжением обеспечивает почти постоянную скорость вращения внешних видимых частей галактик).
Астрофизик Кю-Хюн Чае (2023) из Университета Седжонг в Сеуле провёл исследование, анализируя 26 500 "широких" двойных звёздных систем в радиусе 650 световых лет от Земли. Его вычисления показали, что ускорение, при котором пары двойных звёзд реально вращаются вокруг общего центра масс, не соответствует прогнозам, основанным на уравнениях Ньютона и Эйнштейна, если оно составляет менее 1 нм/с². Если ускорение ещё меньше - менее 0,1 нм/с² - то в широких двойных звёздных системах наблюдается ускорение, превышающее "классическое" значение на 30-40%. Аналогичные аномалии видны и при изучении кривой вращения. Однако в случае относительно небольших двойных звёздных систем тёмная материя не является объяснением (на таком масштабе тёмная материя не может играть роль), что может подвергнуть сомнению необходимость в существовании тёмной материи для объяснения ускорения на галактическом уровне. Таким образом мы можем стоять на пороге изменения нашего представления о Вселенной.
Глава 11-20-2
Теория MOND
В 1983 году Мордехай Милгром, физик из Вейцмановского Института в Израиле, опубликовал три статьи в «The Astrophysical Journal» с предложением внести изменения в закон всемирного тяготения Ньютона. На самом деле Милгром предоставил несколько интерпретаций его предложению, одна из них является модификацией второго закона Ньютона. Однако, это предлагаемое толкование противоречит закону сохранения импульса и требует некоторых нетрадиционных физических допущений. Вторая интерпретация — изменение закона гравитации, требует, чтобы ускорение за счёт силы тяжести зависело не просто от массы, а от массы умноженной на некоторую функцию, аргумент которой есть ускорение, деленное на некую константу примерно равную м/с². Эта функция стремится к единице при больших значениях гравитационного ускорения и отличается для малых аргументов. Центростремительное ускорение звёзд и газовых облаков на окраине спиральных галактик, как правило, будет ниже значения это функции.
Точная форма функции в статьях не указана, указано только её поведение, когда аргумент является малым или большим. Как Милгром доказал в своих статьях, форма не меняет большинство следствий из теории, таких как выравнивание кривых вращения галактик.
В повседневном мире гравитационное ускорение гораздо больше для всех физических эффектов, поэтому коэффициент практически равен единице и, следовательно, можно с большой степенью точности предполагать справедливость закона всемирного тяготения Ньютона (или второго закона Ньютона). Изменения в законе всемирного тяготения Ньютона являются незначительными, и Ньютон не мог их видеть.
Согласно теории MOND скорость звёзд на круговых орбитах далеко от центра является постоянной и не зависит от расстояния, то есть кривая вращения является пологой.
Чтобы объяснить значение этой константы, Милгром сказал: «…Это приблизительно то ускорение, которое нужно объекту, чтобы разогнаться от состояния покоя до скорости света за время существования Вселенной. Также оно близко к недавно обнаруженному ускорению Вселенной».
Тем не менее, воздействие от предполагаемого значения на физические процессы на Земле остаётся в силе. Если бы было больше, последствия этого были бы видны на Земле, и, поскольку это не так, новая теория была бы противоречивой.
Глава 11-20-3
Мордехай (Моти) Милгром
Мордехай (Моти) Милгром (англ. Mordehai Milgrom, род. 1946) — израильский физик, профессор кафедры физики элементарных частиц и астрофизики в Институте Вейцмана (Реховот, Израиль). Известен своей теорией «модифицированной ньютоновской динамики» (англ. Modified Newtonian dynamics, MOND), которая позволяет объяснить аномальное движение галактических объектов, не прибегая к гипотезе о тёмной материи.
Родился в городе Яссы, Румыния, ещё ребёнком эмигрировал с семьёй в Израиль. В 1966 году получил степень бакалавра в Еврейском университете. Позже учился в Институте Вейцмана, защитил там докторскую степень в 1972 году.
Преподаёт в Институте Вейцмана по настоящее время. В период 1980—1981 и 1985—1986 годов работал в Институте перспективных исследований в Принстоне. Женат, имеет трёх дочерей.
В 1981 году. Милгром высказал идею о том, что второй закон Ньютона должен быть модифицирован для малых ускорений. В 1983 году, развивая эту идею, опубликовал теорию «модифицированной ньютоновской динамики».
Глава 11-20-4
Соответствие с наблюдениями
В соответствии с теорией модифицированной ньютоновской динамики каждый физический процесс, который включает малые ускорения, будет иметь результат, отличающийся от простого закона Ньютона. Таким образом, астрономы должны обнаружить все эти процессы, и убедиться, что MOND согласуется с наблюдениями. Впрочем, существует сложность, которая сильно влияет на совместимость MOND с наблюдениями.
В изолированной системе, например, один спутник, вращающийся вокруг планеты, эффект MOND приводит к росту скорости за пределы данного диапазона (на самом деле, ниже заданного ускорения, но для круговой орбиты это не имеет значения), что зависит от массы как планеты, так и спутника. Однако, если та же система будет вращаться вокруг звезды, планета и спутник будут ускоряться в гравитационном поле звезды. По этой причине типичное ускорение любого физического процесса — не единственный параметр, который должны рассматривать астрономы. Настолько же важной является среда, в которой происходит процесс, то есть все внешние силы, которыми, как правило, пренебрегают.
Это ограничивает применение MOND, потому что все эксперименты, проведённые на Земле или в её окрестностях, подчинены гравитационному полю Солнца, и это поле настолько сильно, что все объекты в Солнечной системе подвергаются ускорениям большим, чем коэффициент теории MOND. Это объясняет, почему выравнивание кривых вращения галактик, или MOND эффект, не был обнаружен до начала 1980-х годов, когда астрономы впервые собрали эмпирические данные о вращении галактик.
Ожидается, что только галактики и другие большие системы продемонстрируют динамику, которая позволит астрономам убедиться, что MOND согласуется с наблюдениями. С момента появления теории Милгрома в 1983 году наиболее точные данные были получены из наблюдений далёких галактик и соседей Млечного Пути. В пределах известных данных для галактик MOND остаётся в силе. Что касается Млечного Пути, то он усеян облаками газа и межзвёздной пыли, и из-за этого до сих пор нет возможности определить надёжно кривую вращения галактики. Условия для проведения эксперимента, который мог бы подтвердить или опровергнуть MOND, существуют лишь за пределами Солнечной системы.
В поисках наблюдений для проверки своей теории Милгром заметил, что особый интерес представляет редкий класс объектов — галактики с низкой поверхностной яркостью (LSB, Low surface brightness galaxy). В них почти все звёзды находятся в пределах пологой части кривой вращения. Таким образом, Милгром смог сделать прогноз, что LSB должны иметь кривую вращения, которая является практически пологой, и соотношение между плоской скоростью и массой LSB то же, что и у более ярких галактик.
Действительно, большинство наблюдаемых LSB соответствуют кривой вращения, предсказанной MOND.
Кроме LSB, ещё одной проверкой MOND является предсказание скорости галактик, вращающихся вокруг центра скоплений галактик (например, наша галактика является частью сверхскопления Девы). MOND предсказывает скорость вращения этих галактик вокруг центра и распределение температур, которые противоречат наблюдениям.
Компьютерное моделирование показало, что MOND, как правило, довольно точна в прогнозировании отдельных кривых вращения галактик для всех видов галактик: спиральных, эллиптических, карликовых и т. д. Однако MOND и подобные MOND теории не так хороши в масштабах скоплений галактик или космологических структур. Обнаружение каких-либо частицы тёмной материи, например, вимпов, мог бы опровергнуть MOND.
Ли Смолин (и его коллеги) безуспешно пытался получить теоретическую основу для MOND из квантовой теории гравитации. Его вывод — «MOND представляет собой дразнящую загадку, но она не из тех, которые могут быть решены сейчас».
В 2011 году профессор астрономии Университета Мэриленда Стейси Макго проверил вращение богатых газом галактик, которые имеют относительно меньшее число звёзд, так что большая часть их массы сосредоточена в межзвёздном газе. Это позволило более точно определить массу галактик, поскольку вещество в форме газа легче увидеть и измерить, чем вещество в виде звёзд или планет. Макго исследовал выборку из 47 галактик и сравнил массу и скорости вращения каждой с величинами, прогнозируемыми MOND. Все 47 галактик соответствовали или оказались очень близки к прогнозам MOND; классическая модель тёмной материи выполнялась хуже. С другой стороны, во время исследований 2011 года по наблюдению в скоплении галактик гравитационно-индуцированного красного смещения были обнаружены результаты, которые в точности соответствовали общей теории относительности, но противоречили MOND.
Самыми сложными для объяснения в рамках МОНД считаются результаты о распределении масс газа, полученные по рентгеновскому излучению, и гравитирующих масс, полученные по гравитационному линзированию, в сталкивающихся скоплениях галактик, например, в скоплении Пуля. Если МОНД верна, и тёмной материи не существует, то распределения масс должны совпадать, что сильно противоречит наблюдениям. Хотя сторонники МОНД утверждают, что могут объяснить эти расхождения, большинство астрономов считают эти данные фальсифицирующим МОНД экспериментом.
Глава 10-20-5
Дискуссии и критика
В августе 2006 года появилась серьёзная критика MOND. Она основана на скоплении Пули, системы из двух сталкивающихся скоплений галактик. В большинстве случаев, когда присутствуют явления, связанные с MOND либо тёмной материей, они кажутся исходящими из мест с аналогичными центрами тяжести. Но эффект тёмной материи в этой системе из двух сталкивающихся скоплений галактик, по-видимому, исходит из точек в пространстве, отличных от центра масс видимого вещества в системе, который необычайно легко разглядеть из-за высоких энергий столкновения газа в районе столкновений галактических скоплений. Сторонники MOND признают, что чисто барионная MOND не может объяснить эти наблюдения. Чтобы спасти гипотезу, было предложено включить в MOND обычные горячие нейтрино с массой 2 эВ.
C. Сиврам заметил, что характерные ускорения для шаровых скоплений, спиральных галактик, скоплений галактик и всей Вселенной поразительно близки к критическому ускорению из MOND. Хасмух К. Танк попытался объяснить подобные соответствия как следствия из нового закона о равенстве гравитационной потенциальной энергии и энергии масс достаточно независимых систем материи. В этой работе он показал также, что тщательно измеренные ускорения в сторону Солнца космических зондов Pioneer-10, Pioneer-11, Galileo и Ulyssus довольно близки к критическому ускорению MOND; «космологическое красное смещение», выраженное как торможение космических фотонов, поразительно совпадает с ним же. Танк также предложил множество теоретических объяснений нового закона равенства потенциальной энергии и энергии масс. Это приводит к возможности того, что закон сохранения энергии является более фундаментальным, чем фундаментальные силы.
Глава 10-20-6
Скаляр-тензор-векторная теория гравитации
Скаляр-тензор-векторная теория гравитации (Tensor-vector-scalar gravity (TeVeS)) — это предлагаемая релятивистская теория, которая эквивалентна модифицированной ньютоновской динамике в нерелятивистском пределе. Она направлена на то, чтобы объяснить проблему вращения галактик без привлечения тёмной материи. Представленная Якобом Бекенштейном в 2004 году, она включает в себя различные динамические и нединамические тензорные поля, векторные поля и скалярные поля.
Прорыв TeVeS по отношению к MOND связан с тем, что она может объяснить явление гравитационного линзирования — космического явления, в котором близлежащая материя искажает свет, и которое наблюдалось много раз.
Недавней находкой является то, что она может объяснить формирование структуры без холодной тёмной материи, но требует массивных нейтрино ~2 эВ. Другие авторы утверждают, однако, что TeVeS не может объяснить одновременно и анизотропию реликтового излучения и структурообразование, то есть действует за пределами этих моделей, хотя они имеют высокое значение.
В 2012 году астрофизики из Пенсильванского университета (США) и Кембриджского университета (Великобритания) испытали «на прочность» скаляр-тензор-векторную теорию гравитации при помощи цефеид из ближайших к нам 25 галактик местного скопления. Результат плачевный: в рамках точности измерений эффекты, предсказанные теорией, не подтвердились.
Глава 11-20-7
Ученые моделируют формирование галактик без темной материи
Февраль 2020
Впервые ученые из Боннского и Страсбургского университетов, Германия, смоделировали формирование галактик во Вселенной, в которой отсутствует темная материя. Вместо этого астрономы для воссоздания данного процесса на компьютере модифицировали законы ньютоновской динамики. Галактики, которые были получены в результате моделирования, близко напоминают те галактики, которые мы наблюдаем сегодня на небе. Согласно ученым, используемые ими исходные положения могут помочь разрешить многие загадки современной космологии. Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal.
Космологи сегодня полагают, что материя после Большого взрыва была распределена неравномерно. В местах с повышенной плотностью происходило дальнейшее накопление материи по механизму положительной обратной связи, вызываемому гравитационными силами. На протяжении нескольких миллиардов лет эти сгустки материи в конечном счете превратились в галактики, которые мы наблюдаем сегодня.
Важной составляющей этой гипотезы является темная материя. С одной стороны, она должна отвечать за изначально неравномерное распределение материи. Одновременно она объясняет некоторые несоответствия в наблюдательных данных. Например, звезды во вращающихся галактиках часто движутся с настолько высокими скоростями, что суммарная гравитация всей видимой материи галактики не может удержать их от выхода из галактики – и тем не менее звезды продолжают двигаться в составе галактики. Астрономы относят это дополнительное притяжение, «склеивающее» галактику в единое целое, на счет темной материи.
Однако темная материя до сих пор так и не была ни разу обнаружена напрямую. Одна из альтернатив этой гипотезы носит название MOND (MOdified Newtonian Dynamics, «модифицированная ньютоновская динамика»); она была предложена израильским физиком профессором Мордехаем Милгромом. Согласно этой гипотезе, в масштабе галактик уравнения ньютоновской динамики следует корректировать в сторону увеличения силы гравитационного взаимодействия.
В новой работе доктор Павел Крупа (Pavel Kroupa) из Боннского университета с коллегами построили модель формирования звезд и галактик на основе гипотезы MOND, начиная с газового облака, возникшего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Согласно авторам, результаты моделирования показали близкое соответствие наблюдениям ночного неба при помощи современных телескопов, особенно в части распределения и скоростей звезд. Кроме того, как отмечают Крупа и его коллеги, эти расчеты дают больше спиральных и дисковых галактик, подобных Млечному пути, по сравнению с расчетами на основе гипотезы темной материи - что точнее отражает устройство современной Вселенной. Вдобавок расчеты на основе гипотезы MOND менее чувствительны к изменению ряда параметров, таких как частота сверхновых и их влияние на распределение материи в галактиках, пояснил Крупа.
astronews.ru, 9 февраля 2020
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20200209183141
Журнал Astrophysical Journal. 2020
Павел Крупа (Pavel Kroupa) из Боннского университета
Глава 11-20-8
Глава 11-20-9
Уникальный прогноз «модифицированной гравитации» бросает вызов темной материи
Декабрь 2020
Международная группа ученых представила результаты, согласно которым гипотеза, альтернативная популярной гипотезе темной материи, более точно прогнозирует галактический феномен, который, на первый взгляд, идет вразрез с классической гравитацией. Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal.
Это имеет большое значение, говорят астрофизики, поскольку является еще одним подтверждением данной гипотезы – называемой модифицированной ньютоновской динамикой (modified Newtonian dynamics, MOND) – как обоснованного объяснения космологической дилеммы, состоящей в том, что галактики, словно не подчиняются давно известным законам гравитации, сформулированным еще сэром Исааком Ньютоном в конце 1600-х гг.
Суть загадки: на протяжении десятилетий мы измеряем в космосе более интенсивное гравитационное притяжение, чем ожидаем – и наоборот, для настолько интенсивной гравитации мы не можем найти достаточного количества объясняющей ее материи.
Гипотеза MOND, была предложена физиком Мордехаем Милгромом из Института Вейцмана, Израиль, в начале 1980-х гг., и согласно данному сценарию, это дополнительное гравитационное притяжение объясняется небольшим изменением законов гравитации.
Вместо дополнительного гравитационного притяжения невидимой и недоступной обнаружению темной материи, гипотеза MOND постулирует, что гравитация при невысоких ускорениях является более сильной, чем прогнозируется, исходя из «чистого» ньютоновского понимания.
Кроме того, гипотеза MOND делает смелый прогноз: внутренние перемещения объекта в космосе зависят не только от массы объекта, но и от гравитационного притяжения всех других массивных объектов Вселенной – так называемое «влияние внешнего поля» (external field effect, EFE). Согласно Милгрому, подтверждение EFE эффекта стало бы неоспоримым подтверждением гипотезы MOND.
Теперь в новом исследовании астрофизики во главе с Кю-Хёном Чжэ (Kyu-Hyun Chae) из Университета Седжон, Южная Корея, сообщают о подтверждении EFE-эффекта для набора из более чем 150 изученных галактик.
«Влияние внешнего поля, или EFE-эффект, является уникальным прогнозом гипотезы MOND, который никак не вытекает из ньютоновско-эйнштейновской гравитации», - рассказал соавтор Стейси Макго ( Stacy S. McGaugh) из Университета Кейс Вестерн Резерв, США.
Макго и его коллеги зарегистрировали наличие EFE-эффекта, проанализировав вращение галактик из базы данных Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC). В ходе анализа исследователи заметили, что галактики, находящиеся в мощных внешних полях, замедлялись (или демонстрировали спадающие формы кривых вращения) чаще, чем галактики, лежащие в более слабых внешних полях. Такой прогноз дает лишь гипотеза MOND, еще раз подчеркнули авторы.
astronews.ru, 17 декабря 2020
Глава 11-20-10
Новое исследование вращения галактик подтверждает гипотезу MoND
Декабрь 2020
Хотя темная материя является центральной частью стандартной космологической модели, вокруг неё по-прежнему остается множество загадок. Например, ученые до сих пор не нашли прямых доказательств её существования в виде частиц. Поэтому некоторые астрономы предпочитают альтернативные модели, такие как модифицированная ньютоновская динамика (MoND).
Это привело к необходимости модифицировать уравнения Эйнштейна. Таким образом, MoND был обобщен различными способами, такими как AQUAL, что означает «квадратичный лагранжиан». Как AQUAL, так и стандартная модель LCDM могут объяснить наблюдаемые кривые вращения галактики, но есть некоторые различия.
Именно здесь на помощь приходит недавнее исследование. Одно из различий между AQUAL и LCDM заключается в скоростях вращения звезд на внутренней орбите и на внешней орбите. Для LCDM и то, и другое должно определяться распределением вещества, поэтому кривая должна быть плавной. AQUAL предсказывает крошечный излом кривой. Автор статьи рассмотрел кривые скоростей 152 галактик с высоким разрешением, наблюдаемые в базе данных Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) и нашел сдвиг, который согласуется с AQUAL. Полученные данные, по-видимому, подтверждают MoND, а не стандартную космологическую теорию.
astronews.ru, 31 декабря 2022
Глава 11-20-11
Физики призвали «закрыть» темную материю
Июль 2022
Группа ученых считает, что наличие у галактик перемычек указывает на неправоту традиционной космологической модели и стандартной теории гравитации. Несмотря на корректность этой критики, предлагаемая модификация физических теорий тоже вызывает вопросы. Новая работа в Symmetry сосредотачивает внимание на том, что наблюдаемые типичные галактические структуры несовместимы с наличием темной материи в галактиках.
Как полагают в связи с этим авторы исследования, ее там и нет, а наблюдаемые странности во вращении галактических дисков указывают на то, что мы неправильно понимаем природу гравитации. Статья с новой стороны подходит к показу некорректности стандартной космологической модели, предлагая вместо нее разновидность МОНД — гипотезы модифицированной ньютоновской динамики, согласно которой закон всемирного тяготения просто не работает для малых ускорений.
Около полувека назад астрономы получили надежные наблюдательные данные о том, что диски галактики — и нашей тоже — ведут себя ненормально. В Солнечной системе чем дальше планета от светила, тем медленнее она следует по траектории вокруг него. Судя по известным данным об экзопланетах, так же дело обстоит в других планетных системах. А вот в галактиках вместо этого скорость вращения звезд в краях галактических дисков (относительно галактических центров) примерно та же, что у самого ядра. Из этого был сделан вывод, что есть какие-то невидимые — ни в каком диапазоне — объекты, окружающие галактики, которые своим тяготением раскручивают края этих дисков.
Такая гипотеза «темной материи» была логичной, но требовала объяснения, что же это такое. Десятки лет физики предполагали, что это некие экзотические частицы-вимпы, имеющие массу, но не взаимодействующие с фотонами всех видов излучения. Проблемой оказалось то, что подобные частицы ни в каких экспериментах не обнаруживались.
В 1983 году предложили иной подход к решению проблемы — MOND, модифицированная ньютоновская динамика. Согласно ей, на краях галактических дисков, где действие гравитации материи из ядра галактики ослабевает (в силу огромных удалений от него), закон всемирного тяготения изменяется — причем так, что объекты в таких зонах могут двигаться вокруг центра галактик намного быстрее, чем позволяет стандартное представление о гравитации. Проблемой MOND, однако, было то, что она плохо объясняла динамику в скоплениях и сверхскоплениях галактик. Там больше было похоже на то, что все же есть некая невидимая масса — иначе объяснить движения крупных скоплений галактик было сложно.
Авторы новой работы предложили что-то вроде гибридного подхода с сильным перевесом в сторону MOND. По их мнению, логично предположить, что легкое стерильное нейтрино имеет массу. Стерильным называют такую гипотетическую разновидность нейтрино, которое не просто очень слабо взаимодействует с веществом, как нейтрино обычное, а вообще с ним не взаимодействует, кроме как гравитационно. На сегодня показано, что если такие частицы и есть, то их масса ниже сотен электронвольт. Следовательно, они не могут дать Вселенной столько массы, чтобы «закрыть» всю потребность в темной материи.
Исследователи попытались объяснить «немондовскую» динамику в скоплениях галактик за счет того, что стерильные нейтрино все же есть, просто их масса мала — ниже сотен электронвольт — и влияет на положение дел лишь на больших масштабах, например в скоплениях. А вот на масштабах галактик все хорошо предсказывает и MOND.
Ученые делают вывод, что их вариант имеет больше предсказательной силы, чем стандартная космологическая модель. Последняя указывает, что динамика краев дисков в разных галактиках может быть разной, поскольку эволюция той или иной галактики способна различаться. В итоге и количество темной материи в одной может быть меньше, чем в другой.
С точки зрения авторов новой работы, то, что MOND не нуждается в учете эволюции каждой галактики, говорит о ее «большей предсказательной силе». При этом для случаев, когда MOND не объясняет скорость движения краев галактик («галактики без темной материи», в рамках стандартной космологической теории), исследователи предполагают некую «недостаточность данных».
Работа интересна тем, что поднимает действительно острые проблемы. Например, ее авторы правы, когда отмечают: спиральные галактики с перемычкой указывают на то, что в самих галактических дисках темной материи практически нет. Перемычкой («баром») в спиральной галактике называют область из ярких звезд, выходящую из галактического центра и пересекающей галактику посередине. Она есть у двух третей спиральных галактик, включая наш Млечный Путь.
Перемычки вращаются, и если бы галактики были обладателями большого количества темной материи, она замедляла их со временем. Однако у большинства спиральных галактик с перемычками замедления не происходит. Это достаточно серьезный аргумент в пользу того, что в самой галактике темной материи нет.
naked-science.ru, 11 июля 2022
https://naked-science.ru/article/astronomy/zakryt-temnuyu-materiyu
Журнал Symmetry
https://www.mdpi.com/2073-8994/14/7/1331
Глава 11-20-12
Наша Галактика оказалась экстраординарно бедной
Сентябрь 2023
Космический телескоп «Гайя» позволил оценить скорость движения рекордного количества звезд в Млечном Пути, и новые данные оказались крайне неожиданными. Дело не только в том, что его масса упала во много раз: стало ясно, что сама структура Галактики не такая, как думали раньше. В журнале Astronomy and Astrophysics вышла статья, суммирующая данные «Гайи» о скоростях вращения звезд в диске Млечного Пути.
Авторы новой статьи составили кривые, показывающие скорости вращения звезд в различных частях нашей галактики. Поскольку эти скорости определяются действующей на эти звезды гравитацией, именно по ним можно узнать реальную массу Млечного Пути, которая до этого оставалась объектом ожесточенных дискуссий.
Работа принесла два больших сюрприза. Во-первых, оказалось, что Млечный Путь не показывает ускоренного вращения краев галактического диска, как почти все сколько-нибудь хорошо изученные спиральные галактики, кроме нашей. На расстоянии от 63 до 86 тысяч световых лет от центра Млечного Пути скорость вращения его звезд вокруг галактического центра падает в среднем на 30 километров в секунду. Это не так мало: например, Солнце вращается вокруг ядра Галактики со скоростью 230 километров в секунду. Фактически убывание скоростей вращения звезд в нашей Галактике выглядит как «кеплеровское замедление», сходное с тем, что видно для внешних планет Солнечной системы. И не наблюдаемое пока в других галактиках Вселенной, похожих на нашу.
Это не значит, что темной материи у нас нет: по расчетам авторов новой работы, ее здесь втрое больше, чем обычной. Проблема в том, что для других спиральных галактик это соотношение — шесть к одному, то есть вдвое больше.
Второй большой сюрприз: масса Млечного Пути оказалась равна примерно 200 миллиардам масс Солнца. Это примерно в пять раз меньше прошлых общепринятых оценок (триллион солнечных масс) и заметно меньше, чем у других спиральных галактик тех же размеров, что наша, наблюдаемых астрономами. Из этого следует, что оценки масс галактик — спутников Млечного Пути (например, Большого Магелланова облака) нужно пересматривать «вниз», причем довольно сильно.
Авторы исследования отметили, что, согласно их результатам, Млечный Путь оказывается экстраординарно редкой и экстраординарной бедной материей Галактикой. Причины этого пока не ясны.
Среди возможных объяснений ученые приводят то, что после 8-10 миллиардов лет назад наша Галактика практически не испытывала крупных слияний и поглощений (то есть не присоединяла к себе другие галактики). В то же время большинство других наблюдаемых спиральных галактик испытывали крупные слияния не позднее шести миллиардов лет назад. Возможно, что и малое число поздних слияний и малое количестве темной материи у нас как-то связано с тем, что строение рукавов в нашей галактике несколько отличается от большинства наблюдаемых спиральнрых.
Другое объяснение: «Гайя» использует иные методы для учета скоростей движения галактик. Если с ней что-то не так, то новые результаты по массе и скоростям в Млечном Пути тоже некорректны. В каком-то смысле такой вариант не менее потрясающий, чем первый, поскольку на точности цифр «Гайя» основывается немало выводов астрономов за последние годы.
Отдельно отметим, что если цифры «Гайи» все же корректны, то гипотеза модифицированной ньютоновской динамики (МОНД) неверна. Модифицированная ньютоновская динамика — это теория, предполагающая, что гравитация имеет разную силу для разных расстояний. То есть это объяснение, полностью альтернативное современной физической картине мира, основанной на теории относительности, несовместимой с таким подходом.
МОНД долгие годы пользовалась определенной популярностью, поскольку позволяет и объяснить слишком быстрое вращение дисков других галактик, и не искать темную материю, которая объясняла бы такое вращение. Но, если в нашей Галактике никакого быстрого вращения периферических частей галактического диска нет, а есть кеплеровское замедление его звезд, то МОНД, очевидно, неверна: гравитация не может ослабевать с расстоянием везде, кроме Млечного Пути.
Зато другие подходы — конкретнее, темная материя — с новой работой получили серьезное подтверждение. Количество темной материи в разных галактиках может различаться в рамках самых разных гипотез о ее природе. Теперь осталось лишь выяснить, какая именно из них верна: та, что опирается на данные гравитационного телескопа LIGO, или какие-то иные.
naked-science.ru, 28 сентября 2023, Александр Березин
https://naked-science.ru/article/astronomy/galaktika-bednoi
Журнал Astronomy and Astrophysics, 2023
https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/forth/aa47513-23.pdf
Глава 11-20-13
Аномалии в движении двойных звезд «нарушают» принятую теорию гравитации
Январь 2024
Корейский ученый проанализировал динамику тысяч двойных звезд и нашел в их ускорении отклонение от стандартной космологической модели. Зато полученные значения согласуются с модифицированной ньютоновской динамикой. Опубликовано в журнале The Astrophysical Journal,
В 2023 году Кю-Хён Чжэ (Kyu-Hyun Chae), профессор физики и астрономии из Университета Седжон в Сеуле (Южная Корея), выделил из обзора Gaia более 26,6 тысячи широких двойных звезд, расположенных в пределах 650 световых лет от нас (200 парсек). Имеются в виду системы с большим орбитальным периодом, в которых тела находятся на большом расстоянии друг от друга. Еще одним важным условием отбора было отсутствие явных признаков наличия других компаньонов.
Исследование показало, что динамика в таких системах в общем совпадает с результатами расчетов по уравнениям Ньютона и Эйнштейна, но «ломается» в системах с ускорением менее одного нанометра в квадратную секунду. Более того, при значении менее 0,1 нанометра в квадратную секунду отклонение достигает 30-40%.
Для проверки Ксавьер Хернандес из Национального автономного университета Мексики отобрал 450 объектов, точность данных по которым удовлетворяла строгим требованиям, и подтвердил результаты Чжэ. Однако выборка оказалась слишком маленькой.
Для новой работы Чжэ собрал точные данные по 2463 «статистически чистым» двойным звездам. Он проанализировал движение в этих системах с помощью двух разных алгоритмов. И там, и там результаты совпали с выводами предыдущей работы. При удалении около двух тысяч астрономических единиц и ускорении около одного нанометра в квадратную секунду скорость и ускорение тела отклоняются от ньютоновских уравнений.
Такие значения нельзя списать на темную материю — не те масштабы. В заключительной части работы Чжэ отметил, что отклонения нельзя списать и на систематическую ошибку измерений инструментов
И все же при измерении настолько малых значений ускорения в данных неизбежно будут возникать ошибки. Поэтому, несмотря на совпадение результатов нового исследования с расчетами по модицифированной ньютоновской динамике (MOND), к подобным выводам нужно относиться крайне скептически.
При удалении от пяти до 20 тысяч астрономических единиц и ускорении менее 0,1 нанометра в квадратную секунду отклонение в ускорении составляет 40-50%, а отклонение в относительной скорости — 20%.
И все же при измерении настолько малых значений ускорения в данных неизбежно будут возникать ошибки. Поэтому, несмотря на совпадение результатов нового исследования с расчетами по модицифированной ньютоновской динамике (MOND), к подобным выводам нужно относиться крайне скептически. Отметим, что анализ данных того же обзора Gaia по движению звезд в нашей галактике Млечный Путь, наоборот, показал, что гипотеза MOND неверна.
naked-science, 11 января2024, ДарьяГубина
https://naked-science.ru/article/astronomy/gravity-breakdown
ЖурналThe Astrophysical Journal, Январь2024
Кю-Хён Чжэ (Kyu-Hyun Chae), Университет Седжон в Сеуле (Южная Корея)
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ace101#apjace101f36
Глава 11-20-14
Альтернатива темной материи не выдержала проверку Сатурном
Май 2024
Нужна ли темная материя для объяснения движения космических тел? Видимо, все же нужна. Астрофизики попробовали «помирить» альтернативную гипотезу с наблюдениями в окрестностях Солнечной системы и даже внутри нее — с орбитой Сатурна. Для фанатов MOND результаты оказались неутешительными. Опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Хорошая теория гравитации должна объяснять как можно больше гравитационных феноменов, используя минимум параметров. Общая теория относительности в общем-то хорошо работает в масштабах от микрометров до десятков гигапарсек. И все же есть феномены, которые она не может объяснить. Например, почему края галактических дисков вращаются быстрее расчетов и при этом не разлетаются. Так появилась популярная сегодня гипотеза о существовании темной материи. Конечно, есть и альтернативы. Одна из самых популярных альтернативных теорий гравитации — модифицированная ньютоновская динамика (MOND).
В основе MOND лежит идея, что ньютоновская сила тяготения не работает при малых ускорениях — менее 10-10 метров в секунду квадратную. Гипотезу предложил в 1983 году израильский физик Мордехай Милгром. Она как раз хорошо объясняет движение тел во внешних областях галактик. Впрочем, у темной материи тоже нет с этим проблем.
Чтобы проверить MOND, нужны другие исследования — конечно, основанные на больших и точных массивах данных наблюдений. Именно такие данные теперь есть у астрономов благодаря масштабным обзорам неба вроде проекта «Гайя». Именно поэтому в последние годы появляется все больше работ на эту тему.
Авторы новой статьи попробовали «помирить» MOND сразу с несколькими наборами данных: измерениями зонда «Кассини» у Сатурна, движением двойных звезд со значительным периодом обращения вокруг общего центра в окрестностях Солнечной системы и так называемым соотношением центростремительного ускорения (radial acceleration relation, RAR).
Термином RAR обозначают обнаруженное около семи лет назад универсальное соотношение между центростремительным ускорением объектов в галактиках, которое выводят по наблюдениями, и тем, которое получают из оценки видимой материи в галактике. В ньютоновской теории эти значения должны совпадать. В реальности они расходятся. Главное — в дисковых галактиках это расхождение, по сути, и должно быть прямым следствием модели MOND.
Раз эффект MOND заметен в масштабе галактик, что подтверждается расчетами и исследованиями, то он должен работать и на меньших расстояниях, даже в пределах Солнечной системы. Конечно, при этом его должно быть труднее заметить. Именно поэтому авторы новой работы использовали данные зонда «Кассини» за 13 лет его полета вокруг Сатурна. Благодаря такому долгому периоду работы астрономы смогли невероятно точно измерить орбиту планеты по задержке передачи сигналов между зондом и Землей.
Идея проверки в том, что притяжение остальной Галактики должно чуть отклонять орбиту Сатурна. Из-за этого влияния расчеты орбиты по ОТО не должны совпадать с расчетами по MOND. Остается лишь сопоставить их с данными наблюдений. Ученые сделали это еще 10 лет назад. Тогда им не удалось найти аномалий в орбите «окольцованного» гиганта. В этот раз исследователи пошли дальше — попробовали «подкрутить» гипотезу MOND под данные «Кассини».
Несмотря на то что MOND хорошо объясняет движение тел в масштабе Галактики — и новые расчеты это подтвердили, — альтернативная гипотеза совсем не сочетается с данными по орбите Сатурна.
«Вероятность, что MOND совпадет с данными „Кассини”, равносильна выпадению решки 59 раз подряд при подбрасывании монетки», — пояснил один из авторов исследования. Для сравнения: отклонение в пять сигм, «золотой стандарт» для научного открытия, соответствует выпадению решки 21 раз подряд.
Единственное, что может «спасти» гипотезу MOND, — гораздо более резкий переход от ньютоновского тяготения к тяготению MOND. Вот только это уже не совпадает с расчетами по соотношению RAR, которое в последние годы доказало свою целесообразность.
Более того, MOND не работает и в масштабе двойных звезд со значительным периодом обращения вокруг общего центра. Ученые сравнили свои расчеты с результатами исследования таких объектов, опубликованного в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в январе 2024 года. По MOND такие звезды должны вращаться друг вокруг друга на 20% быстрее, чем показывают расчеты по ОТО. Астрономы не видят подобного расхождения в данных. Чтобы гипотеза MOND работала на таких расстояниях, ее нужно сильно править. Хотя есть ученые, которые считают, что двойные звезды как раз доказывают MOND. Правда, в таких масштабах очень многое зависит от оценки погрешностей измерений.
В марте 2024-го на сайте препринтов arXiv вышла еще одна работа, посвященная MOND. Ее авторы проверили гипотезу на распределении и движении транснептуновых объектов. И снова альтернативная гипотеза «проиграла» ОТО. Если бы она была верна, «наклон» орбит этих объектов к плоскости Солнечной системы был бы гораздо больше.
В общем, по результатам нескольких новейших работ можно сделать вывод, что модифицированную ньютоновскую динамику (MOND) нужно либо еще сильнее модифицировать, либо отказаться от нее в пользу других гипотез.
naked-science, 13 мая 2024, Дарья Г.
https://naked-science.ru/article/astronomy/mond-debunked-cassini
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
https://academic.oup.com/mnras/article/530/2/1781/7641422?login=false