Текст уведомления здесь
Квазар ULAS J1342+0928: его частью является сверхмассивная черная дыра "весом" в 800 миллионов СолнцИллюстрация: Robin Dienel / Carnegie Institution for Science

Темная материя и энергия провалились в черную дыру

Не исключено, что на самом деле никакой темной материи и энергии в их привычном представлении не существует

Недавно опубликованное исследование российских физиков заставляет совершенно по-новому взглянуть на происхождение и природу темной материи и темной энергии. Модель темной материи из неизвестных частиц, равно как и темной энергии неясной природы, слишком сильно укоренилась в сознании многих исследователей. Но, если высокочастотные гравиволны, предсказанные гипотезой Горькавого, будут найдены, с привычной моделью придется попрощаться
Добавить в закладки
Комментарии

Объяснить черты наблюдаемой части космоса на основании только видимой его части нереально. Что-то невидимое заставляет «края» галактик вращаться с большей скоростью, чем «положено»; другая «невидимая рука», кажется, растягивает пространство-время во все стороны все быстрее и быстрее (ускоряющееся расширение Вселенной). За открытие этих фактов уже успели многажды выписать Нобелевские премии, а на поиски соответствующих «темных сил» ушли миллиарды долларов. Но есть нюанс: вполне вероятно, никаких частиц темной материи на самом деле не существует, а ускоряющееся расширение Вселенной и вовсе может оказаться иллюзией. Невидимая масса, раскручивающая галактики, — это множество черных дыр средних размеров, а кажущееся ускорение расширения обеспечивает гигантская черная мегасверхдыра. Но — обо всем по порядку.

Очень темные дела

Еще в 1884 году лорд Кельвин обратил внимание на странный факт: звезды во внешних областях диска нашей Галактики вращаются вокруг ее центра куда быстрее, чем должны были бы, судя по расчетам. Такое возможно, если их «раскручивает» гравитация какой-то массы, лежащей еще дальше, там, где кончаются звезды и начинается межгалактическое пространство. Но что лежит там, где кончаются звезды, понять не удавалось. Известнейший французский математик Анри Пуанкаре, обсуждая этот вывод Кельвина, в 1906 году впервые употребил словосочетание «темная материя». Последующие сто лет подтвердили: практически во всех наблюдаемых галактиках картина та же.

Гипотез о том, что именно составляет темную массу, было много, но большинство из них плохо совместимо с наблюдаемой Вселенной. Со временем была выбрана одна — о «холодной темной материи», теоретически состоящей из массивных частиц (вимпов), не взаимодействующих с фотонами света. Причем в такой гипотезе масса вимпов должна быть в несколько раз больше, чем всего обычного, барионного, вещества. Это хорошо объясняло и невидимость темной материи, и ее мощное воздействие на галактические диски.

При всех позитивных свойствах вимпов у них есть и существенный недостаток: их оказалось абсолютно невозможно найти в экспериментах. Крупные и дорогие ускорители давно показали: если такие частицы и есть, то их размер так мал, что обнаружить их по влиянию на другие частицы нереально. Сечение вимпов, согласно таким экспериментам, не может быть заметно больше 10-45метра, что на десять порядков меньше планковской длины. А планковская длина — это вообще предел расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины перестают иметь какой-либо смысл. Любая попытка исследовать меньший по размеру объект (менее 1,6⋅10-35 метров) потребует столкновения частиц высоких энергий, что неизбежно закончится рождением черной дыры: вместо того чтобы дробить частицы на более мелкие кусочки, это приведет к «слипанию» частиц в ничтожно малую ЧД. А жаль — вимпы выглядели отличной, логичной гипотезой.

Сходная история случилась и с темной энергией. Есть два хороших способа измерения расстояния до галактик: по закону Хаббла (расстояние пропорционально красному смещению, удлинению световых волн, дошедших до нас от далекой галактики) и по «стандартным свечам», сверхновым типа Ia. Такие сверхновые в теории взрываются при достижении одной и той же пороговой массы, то есть их яркость практически одинакова. Глядя на их видимую нам яркость и соотнося ее с положенной такой сверхновой энергией взрыва (прямо связанной с массой), легко высчитать, каково же расстояние до далекой галактики. Но два эти способа, как оказалось, дают противоречащие друг другу результаты. В удаленных галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже «положенной»! То есть каким-то образом расстояние, которое прошли фотоны от вспышек этих сверхновых, оказалось больше, чем должно быть, — как будто пространство между нами растянулось, и вместе с ним растянулись (став «краснее», то есть длиннее) и световые волны от этих вспышек. Эти наблюдения интерпретировали как ускоряющееся расширение Вселенной, и за это открытие успешно дали Нобелевскую премию.

Осталось выяснить сущую малость: что именно растягивает пространство-время и заставляет Вселенную двигаться с ускорением. В настоящий момент считается, что это некая расталкивающая все и вся темная энергия с плотностью порядка 10-29 г/см³. Но при такой плотности обнаружить ее в эксперименте не приходится и мечтать. Как же изучать то, что в лаборатории изучать нельзя? Правильно, чисто теоретически. Все попытки ограничить свойства темной энергии наблюдением за крупными структурами Вселенной пока не дали серьезных результатов. Поэтому ее считают то энергией вакуума, то частицеподобным возбуждением некоего динамического скалярного поля («квинтэссенция»), то чем угодно еще. Однако, когда от гипотез переходят к расчетам, получается один сумбур. Если темная энергия суть энергия вакуума (наименее сложная гипотеза), то ее должна предсказывать квантовая теория поля. Но значение энергии вакуума, которое она предсказывает, на 120 порядков больше, чем то, что следует из наблюдений за ускоряющимся расширением Вселенной. Это настолько большой разрыв, что даже обсуждать здесь нечего: такое объяснение выглядит нереалистично.

Темная энергия «по-черному»

Около 2003 года физик Николай Горькавый, до того занимавшийся чисто «гравитационными» проблемами — типа колец Урана и его спутников, существование ряда из которых он предсказал по форме колец и до их открытия астрономами, — попробовал подойти к «темным материям» с другой стороны. Отталкиваясь от «гравитационного» видения мира, исследователь решил выяснить, каким может быть влияние черных дыр самых разных размеров на окружающую нас Вселенную. Особенно его заинтересовали процессы слияний ЧД, при которых значительная часть массы их обеих превращается в гравитационные волны (колебания пространства-времени). Если сами ЧД вполне притягивают к себе материю, то гравитационные волны этого не делают. Таким образом, получается, что в слияниях черных дыр масса как бы «исчезает», а на деле превращается в энергию гравиволн.

Николай Горькавый, астрофизик и русский писатель-фантастФото: Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Исходя из этой модели, ученый обратился к выдвинутой еще создателем термина «Большой взрыв» Георгием Гамовым гипотезе о том, что Вселенная расширяется и сжимается циклически. Согласно расчетам Горькавого и его соавтора Василькова, получается, что при сжатии в конце каждого цикла существования Вселенной черные дыры слипаются во все более крупные объекты, попутно поглощая «мелочь» типа звезд и планет. В каждом таком слиянии лишь считанные проценты их массы превращаются в энергию гравиволн, но поскольку таких слияний очень много, то в конце значительная доля массы Вселенной превращается в энергию гравиволн. В этот момент происходит как бы скачок: в короткое по астрономическим меркам время исчезновение значительной массы сжимающейся Вселенной порождает не воронку гравитационного потенциала, а пик этого потенциала, который и вызывает разлет остальной части Вселенной во всех направлениях.

Со стороны это будет выглядеть именно как взрыв, при котором обломки летят в разные стороны. Именно так, в рамках гипотезы Горькавого и Василькова, цикл сжатия прежней Вселенной сменился циклом расширения нынешней Вселенной.

Казалось бы, при чем тут вообще темная материя и темная энергия? На деле связь самая прямая. Во-первых, в конце серии слияний ЧД из прошлой Вселенной должна была возникнуть самая крупная из всех черных дыр. Естественно, такая дыра имеет огромное влияние на окружающее ее пространство-время. Поглощая энергию гравиволн, она продолжит быстро наращивать свою массу, дополнительно усиливая свое гравитационное поле.

В итоге гравитация от нее будет настолько мощной и быстро усиливающейся, что первые ранние галактики Вселенной, разлетающиеся в стороны, в определенный момент почувствуют нарастающее торможение: те из них, что ближе к древней гипермассивной черной дыре, будут замедляться, а те, что дальше, продолжат лететь с меньшим замедлением. За счет этого фотоны от более далеких галактик будут казаться «краснее», чем они есть, а значит, и красное смещение от далеких объектов будет отличаться от ожидаемого. 

Как известно, расстояние до далеких галактик определяют именно по красному смещению. Так что его «корректировка» гипермассивной черной дырой создаст у земного наблюдателя иллюзию ускоряющегося расширения Вселенной, несмотря на то что на практике такого ускоряющегося расширения не будет. В модели Горькавого Вселенная, разумеется, тоже расширяется, но без реального нарастающего ускорения. Итак, мы нашли неплохого кандидата на роль темной энергии — гипермассивную черную дыру. Что важно, корректность такого сценария — и само существования такой огромной древней ЧД — вполне можно проверить с помощью наблюдений, чего не скажешь о темной энергии в рамках гипотезы о том, что она суть энергия вакуума.

Темная материя «по-черному»

В рамках подобной «космологии отскока» по-другому начинают выглядеть не только дальние дали, но и окрестности нашей собственной Галактики. Если сразу после Большого взрыва почти вся масса прежней Вселенной превратилась в гравиволны, то их энергия должна доминировать в окружающем нас пространстве до сих пор. По расчетам из последней статьи Горькавого, Вселенная примерно на 99% состоит из древних, реликтовых гравитационных волн и на ~1% — из черных дыр, барионов и других частиц. Между тем черные дыры поглощают гравиволны, и при этом энергия таких волн снова превращается обратно в массу ее ЧД-уловителей. Хотя энергичнее всего наращивать массу будет древняя гипермассивная дыра, кроме нее во Вселенной еще от прошлого цикла должен был остаться и набор менее массивных ЧД. Часть из них станет «семенами» для тех черных дыр, что астрономы сегодня называют сверхмассивными и что лежат в центрах галактик, включая и наш Млечный Путь.

Но будет и много других черных дыр — промежуточных масс, некогда образовавшихся в ходе коллапса звезд, а затем быстро набиравших массу за счет окружающей материи и гравитационных волн. Многие из них окажутся за пределами видимого диска галактик, где скапливался газ, из которого и образуются видимые звезды. Их тяготение будет раскручивать периферийные районы видимых галактических дисков и тем самым играть роль темной материи.

До модели Горькавого предположение о том, что темная материя суть черные дыры на окраинах галактик, уже выдвигалась. Но особой популярностью не пользовалась. Дело в том, что черные дыры должны образовываться из звезд, а вне галактических дисков таких звезд просто не могло быть много — значит, и ЧД там много быть не может. В «космологии отскока» все иначе: черные дыры из прошлых циклов сжатия и расширения Вселенной вполне могут концентрироваться на окраинах галактик, где никогда не было звезд. Ведь такие дыры образовались из звезд не в этом цикле существования Вселенной, а намного раньше.

Плюсы и минусы

Конечно, такая гипотеза по своему размаху куда шире более ранних гипотез о вимпах или темной энергии, поэтому с ее помощью можно объяснить много больше вещей, что, несомненно, плюс.

Возьмем барионную асимметрию Вселенной. Как известно, мы видим вокруг себя много обычного вещества и почти не видим антивещества. Если бы их было поровну, атомы аннигилировали бы с антиатомами и всю Вселенную наполнили бы фотоны без всяких атомов вообще. Очевидно, почему-то обычного вещества с самого начала было куда больше, чем антивещества. Сейчас физика считает это одной из по-прежнему нерешенных проблем.

В рамках модели Горькового ситуация совсем иная. Циклическая Вселенная предполагает большое (или даже очень большое) количество космологических циклов, что значительно упрощает решение проблемы «перевеса» обычного, барионного, вещества над антивеществом. В циклической Вселенной очень много времени: барионы могут потихоньку накапливаться в каждом цикле, а антивещества, исчезающего за счет аннигиляции с обычным веществом, напротив, будет все меньше.

Другой крупный плюс гипотезы — отсутствие нужды в вимпах, которые, честно сказать, никто не видел ни в каком эксперименте, равно как и в темной энергии, которую, благодаря ее низкой гипотетической плотности, никто с самого начала и не надеялся увидеть. Модель Горькавого нуждается только в общей теории относительности, весьма неплохо доказанной на сегодняшний день, да еще в детекторе гравиволн, чтобы зарегистрировать те высокочастотные гравиволны, что в рамках циклической космологии должны составлять основную часть энергии Вселенной. Увы, существующая система детекторов LIGO оптимизирована для улавливания низкочастотных гравиволн и для такого поиска не подходит. Но чем меньше длина и выше частота волны, тем более ее энергия, то есть найти следы прошлого цикла можно будет с помощью более компактных детекторов, чем та же LIGO.

Минусы у гипотезы тоже есть, но во многом они носят не физический, а психологический характер. Модель вимпов, темной материи из неизвестных частиц, равно как и темной энергии неясной природы, слишком сильно укоренилась в сознании многих исследователей, примерно как концепция эфира в XIX веке. К тому же так же, как и с эфиром, считавшимся «неощутимым для вещества», в силу «неощутимости» (недоступности для экспериментального исследования) ТМ и ТЭ настаивать на их существовании можно довольно долго: сложно опровергнуть существование чего-то неосязаемого. Да и слишком много усилий было потрачено на поиски ТМ/ТЭ — психологически будет довольно тяжело признать все это заблуждением по типу того же эфира. К счастью, в конечном счете в физике все довольно просто: если высокочастотные гравиволны, предсказанные моделью Горькавого, будут найдены, похоронить вимпы и темную энергию, следы которых найти так и не удалось, так или иначе, но придется.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью
Галактика M87 в ложном цветеChris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO / CC BY 4.0

Невыносимая легкость темной материи

Что такое аксионы и где их искали российские астрофизики

Несмотря на то что пока напрямую обнаружить темную материю никому не удается, исследователи планомерно исключают одну гипотезу за другой, и недавно группа российских ученых вместе с их финским коллегой сделала еще один шаг в этом направлении. Темная материя, по новым данным, не может состоять из сверхлегких частиц, чья масса на много порядков уступает даже массе нейтрино: кандидаты на звание «частицы темной материи» должны быть или еще легче, или тяжелее, чем предполагалось раньше.
Добавить в закладки
Комментарии

В статье, которая пока доступна на репозитории препринтов научных статей arXiv.org, физики из Института ядерных исследований РАН и еще нескольких научных организаций (включая Университет Аальто в Финляндии) рассматривают гипотезу, согласно которой темная материя состоит из так называемых аксионоподобных сверхлегких частиц. Слово «сверхлегкие» означает, что эти частицы должны иметь очень малую массу — вплоть до 1023 электронвольт.

Строго говоря, в электронвольтах измеряется энергия: 1 эВ — это чуть больше энергии кванта видимого света. Но в теории относительности масса связана с энергией знаменитым соотношением E=mc2, и ничто не мешает использовать электронвольты для массы. Это удобно, когда килограмм и грамм оказываются непрактично велики.

Масса протона составляет примерно миллиард эВ (или 1 ГэВ, гигаэлектронвольт), электрон потянет на миллион эВ (1 МэВ, мегаэлектронвольт), так что гипотетические аксионоподобные частицы все равно что мышь на фоне Земли. Столь легкие объекты крайне сложно поймать какими-либо детекторами, поэтому они оказываются вполне подходящими кандидатами на роль неуловимой и невидимой материи.

Неуловимость частиц могла бы сделать гипотезу полностью вненаучной (существование того, что никак нельзя поймать, нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть), однако у физиков нашелся способ все-таки сопоставить предположение об ALP, сверхлегких аксионоподобных частицах, с результатами наблюдений. Помогло им наблюдение активных ядер галактик в радиодиапазоне: испускаемые центром галактик струи раскаленной плазмы позволили сделать вывод, что если ALP и существуют, их масса не может принимать значения от 5×1023 эВ до 1,2×1021 эВ. Конечно, ALP все еще могут оказаться легче или тяжелее, но ограничение пространства дальнейших поисков — уже значительный шаг на пути к поимке загадочных частиц. Если они существуют. [ ... ]

Читать полностью
Черенковское излучение вокруг ядерного реактораAaron Frank

Быстрее света

За что советские ученые получили Нобелевскую премию по физике в 1958 году

28 октября 1958 года советским ученым была впервые присуждена Нобелевская премия по физике — за открытие и истолкование эффекта Черенкова. «Чердак» коротко рассказывает о том, кто были эти ученые и что это за эффект.
Добавить в закладки
Комментарии

В 1933 году Павел Черенков и Сергей Вавилов (первый был аспирантом у второго) в лаборатории Физико-математического института обнаружили ранее неизвестное явление. Чистая вода без всяких примесей начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах.

Излучение Вавилова — Черенкова возникает, когда частица движется быстрее скорости света в плотной среде. Слова «быстрее скорости света» тут не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а вот во всех материалах свет движется медленнее, чем в вакууме, и это уже вовсе не фундаментальное ограничение. Частица, разогнанная в вакууме, вполне может влететь в воду со скоростью, например, 299 791 километр в секунду, в то время как для воды предел составляет около 225 тысяч километров в секунду. А для оптического стекла это значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тысяч км/с, то есть свет распространяется в них вдвое медленнее! [ ... ]

Читать полностью