«Тіньовий Всесвіт», що складається з темної матерії та незримо вплетений у нашу реальність, може мати власне багате життя.
23 вересня 1846 р. директор Берлінської обсерваторії Йоганн Готфрід Галле (Johann Gottfried Galle) отримав листа, який змінив перебіг історії астрономії. Лист надійшов від француза Урбена Левер’є (Urbain Le Verrier), який вивчав Уран. Учений дійшов висновку, що рух цієї планети неможливо пояснити, враховуючи лише відомі на той момент гравітаційні сили, а тому припустив існування додаткового невидимого масивного об’єкта, який збурює орбіту Урана так, що це узгоджується зі спостереженнями. Дотримуючись вказівок Левер’є, Галле виявив планету Нептун саме там, де й передбачала теоретична модель.
Володіючи гравітаційними силами, темна матерія, подібно до скульптора, виліплює Всесвіт і, сплітаючи галактики, формує його структуру. Фізики-теоретики вважають, що на надвеликих масштабах гравітаційні взаємодії домінують над усіма іншими. На рисунку представлено модель структури простору нашого Всесвіту розміром 1,6 млрд світлових років, отриману в 2005 р. у межах проєкту «Моделювання тисячоліття»
У сучасну епоху актори змінилися, але ролі залишилися тими самими. Астрономи спостерігають аномальний рух небесних тіл і роблять висновок про наявність поки що не виявлених об’єктів, пошук яких є найважливішим завданням сучасної космології. У ролі Урана тепер виступають зорі й галактики, чий рух відрізняється від передбаченого теорією. У ролі Нептуна — або темна матерія, що складається з невидимих в електромагнітних променях об’єктів невідомої природи, які мають масу, або темна енергія — особливий стан речовини, «розмазаної» по простору. За характером спостережуваних аномалій ми можемо виявити деякі особливості цих акторів. Темна матерія, найімовірніше, являє собою області невидимих в електромагнітних променях частинок, які нерівномірно заповнюють простір. Темна енергія рівномірно розподілена в просторі Всесвіту й діє так, наче сама є його частиною. Сучасні вчені, по суті, продовжують дотримуватися методу Галле, який добре себе зарекомендував: астрономічні спостереження вказують на існування прихованих форм матерії та енергії, що впливають на рух видимих тіл. Однак з’являється й безліч хибних слідів, помилкових сигналів, спричинених, наприклад, дефектами детекторів.
Нептун, який спочатку був лише незримою силою, що діяла на Уран, сам по собі виявився різноманітним світом. Чи можна очікувати подібного «викриття» від темної енергії та темної матерії? Так, деякі вчені вважають, що відповідальність за рух видимих тіл — це лише одна з небагатьох функцій темної матерії і що насправді темна матерія утворює свій власний світ зі складною структурою та численними властивостями. У цьому «темному світі», незримо, але міцно вплетеному в нашу реальність, може існувати безліч невідомих нам частинок, які взаємодіють, можливо, за ще навіть не пізнаними законами природи.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
- Учені мають два незалежні аргументи з різних розділів фізики, щоб припускати, що Всесвіт заповнений невідомою формою речовини — темною матерією. Не тільки зорі, галактики й газопилові туманності рухаються так, наче на них діє якась невідома додаткова гравітаційна сила, а й деякі ядерні процеси — наприклад, явище радіоактивності — ставлять питання, відповідь на яке дає припущення про існування невідомих частинок.
- Зазвичай вважають, що темна матерія складається з частинок-вімпів (від англ. абревіатури WIMP — «слабко взаємодійні масивні частинки»), які дуже слабко взаємодіють із частинками звичайної видимої матерії. Такий сценарій видається досить похмурим.
- Чи може темна матерія бути різноманітнішою? Фахівці з фізики частинок шукають відповідь на це запитання, і в результаті їхніх досліджень темна матерія демонструє нам значно багатшу структуру: численні частинки, що взаємодіють за невідомими нам законами, зокрема існування невидимого оку «чорного світла».
Темний бік
Тривалий час більшість дослідників вважали, що темна матерія й темна енергія вкрай мало взаємодіють зі звичайною речовиною, що ці екзотичні стани речовини вкрай відокремлені й далекі від нас. Автори статті пропонують іншу точку зору. Відтоді як у 30-х рр. минулого століття астрономи вперше виявили ознаки існування прихованої речовини, її основною властивістю стали вважати інертність, тобто дуже повільну еволюцію. Спостереження показують, що масова частка темної матерії перевищує масову частку звичайної речовини приблизно в шість разів. Галактики й галактичні скупчення оточені гігантськими гало темної матерії. Щоб не суперечити даним прямих астрономічних спостережень, такі великі маси мають складатися з частинок, що дуже слабко взаємодіють зі звичайною речовиною або контактують переважно одна з одною. Єдине, у чому вони проявляють себе, — це гравітаційна взаємодія зі світною матерією.
Астрономи вважають, що в історії утворення галактик першим сформувалося гало темної матерії, яке потім залучило до створеної потенціальної ями й звичайну матерію. Остання, будучи сприйнятливою до різноманітних змін, поступово розвивалася, породжуючи багатющу родину галактик, які спостерігаються сьогодні, тоді як інертна темна матерія збереглася у своєму первісному вигляді та конфігурації. Що ж до темної енергії, то єдина її роль, відома нам зі спостережень, — це рушійна сила прискореного розширення сучасного Всесвіту. Доступні нам спостереження вказують на те, що темна енергія практично не змінюється протягом усього періоду існування Всесвіту. Ідея про те, що темна матерія може мати значно складнішу структуру й різноманітні властивості, належить не астрономам, а радше фахівцям у галузі елементарних частинок, багато методів дослідження яких не залежать від космологічних теорій. Початок вивченню темної матерії було покладено на початку минулого століття з відкриттям радіоактивного бета-розпаду.
Великий італійський учений Енріко Фермі намагався пояснити цей процес введенням нової фундаментальної сили та нових частинок-переносників, відповідальних за бета-розпад ядер. Ця нова сила була аналогічна силі електромагнітної взаємодії, а нові частинки — фотонам, за одним важливим винятком. Фермі припустив, що, на відміну від частинок — переносників світла, фотонів, які завдяки своїй нульовій масі роблять електромагнітні сили далекодійними, нові частинки мають бути масивними. Завдяки наявності маси у своїх частинок-переносників нові сили мали б виявитися короткодійними, а отже, непомітними на великих відстанях, що й показували експерименти. Так, для пояснення спостережуваного періоду напіврозпаду радіоактивних ізотопів частинки-переносники мали бути дуже важкими — приблизно в 100 разів важчими за протон або, у перерахунку на енергетичні одиниці, мати масу близько 100 ГеВ.
Тепер ці нові сили називаються силами слабкої ядерної взаємодії, а їхні частинки-переносники — W- і Z-бозонами, відкритими в 1980-х рр. Самі по собі вони не є частинками темної енергії, але їхні властивості натякають на її існування. Загалом ці частинки не мали б бути такими важкими. Наявність настільки великих мас може свідчити про існування певних прихованих так званих «суперпартнерів» цих частинок, передбачених теорією суперсиметрії. Відкриття таких прихованих частинок, а також десятків інших типів частинок, що очікують своєї черги, планується на сучасному протон-протонному прискорювачі ВАК (Великий адронний колайдер). Передбачені гіпотетичні частинки отримали загальну назву слабко взаємодійні масивні частинки, або вімпи (від скорочення WIMP — weakly interacting massive particle). Їхня назва випливає з того факту, що вони взаємодіють, крім гравітації, тільки за допомогою слабких ядерних взаємодій. Будучи нечутливими до електромагнітних взаємодій, що домінують у нашому повсякденному житті, вімпи повністю невидимі, а будь-який їхній прямий вплив на звичайні частинки слабкий. Отже, ці гіпотетичні частинки — добрі кандидати на роль космологічної темної матерії.
Здатність вімпів пояснити природу темної матерії залежить від кількості таких частинок. Таким чином, розв’язання космологічної проблеми стає залежним від фізики елементарних частинок. Подібно до інших частинок, вімпи могли б народитися під час Великого вибуху. Участь цих частинок у високоенергетичних процесах народження та знищення приводила до того, що в певний момент часу існувала певна їхня кількість, задана двома основними параметрами. Перший параметр — темп охолодження Всесвіту, що розширюється, у процесі якого залишалося дедалі менше енергії, необхідної для народження вімпа; таким чином, під впливом цього параметра кількість вімпів із часом зменшувалася. Другий параметр — розліт частинок, що знижує частоту їхніх зіткнень. У результаті дії цих двох процесів уже через 10 нс після Великого вибуху зміна кількості вімпів повністю зупиняється, оскільки, з одного боку, у Всесвіті більше немає необхідної високої енергії для їхнього народження, а з іншого — припиняються процеси взаємодії частинок, які знищують вімпи. Знаючи масу (енергію) вімпа та його переріз розсіяння, що характеризує, як часто ці частинки анігілюють одна з одною, фізики можуть легко оцінити кількість вімпів.
Виявляється, що з точністю до похибок в оцінці мас і перерізів розсіяння вімпів їхньої кількості достатньо, щоб оголосити вімпами всю сучасну темну матерію. Так, проблема, що зародилася понад століття тому у фізиці елементарних частинок, дала змогу розв’язати одне з ключових завдань сучасної спостережної космології. Модель також указує на інертність вімпів. Оцінки показують, що близько мільярда таких частинок безперешкодно й непомітно пройшли крізь вас, поки ви читаєте цю статтю. За цілий рік можна очікувати лише однієї події взаємодії вімпа з атомним ядром якої-небудь клітини вашого тіла з виділенням дуже незначної кількості енергії. Щоб мати хоч якусь надію зареєструвати таку надзвичайно рідкісну подію, вчені створили детектори частинок, призначені для моніторингу великих об’ємів рідин або інших речовин протягом тривалих періодів часу. Астрономи ж шукають у галактиках спалахи випромінювання, якими могли б супроводжуватися зіткнення та анігіляція вімпів. Ще один спосіб пошуку цих частинок — спроба їхнього синтезу в земних лабораторіях.
«ВИМОРОЖУВАННЯ» У гарячому й щільному ранньому Всесвіті процеси народження та знищення частинок темної матерії — «вімпів» — перебували в стані динамічної рівноваги. З розширенням Всесвіту його температура падала, і тому енергії для народження нових частинок темної матерії вже не вистачало. Отже, переважним процесом ставав розпад цих частинок. Для «вімпів» теорія дає надійний прогноз їхньої кількості, який можна зіставити зі спостереженнями.
Більші вімпи, ніж самі вімпи
Невтомні спроби відшукати вімпи можуть навести читача на думку, що ці частинки — єдині можливі кандидати на роль темної матерії, хоча це далеко не так. Нещодавні дослідження у фізиці елементарних частинок вказали нові шляхи пояснення природи темної матерії. Так, частинки-вімпи можуть виявитися лише верхівкою айсберга незвіданого — прихованих світів, наповнених частинками, що живуть за іншими законами та під дією невідомих нам сил.
Одне з досліджень у цьому напрямі привело до створення концепції існування частинок, ще більше відірваних від нашої реальності, ніж навіть вімпи. Теоретики вважають, що вімпи сформувалися в перші наносекунди після Великого вибуху й могли бути нестабільними. Через секунди або навіть дні ці частинки могли розпастися на інші частинки порівнянних мас, які, однак, не вступають у реакції слабкої ядерної взаємодії. Отже, єдиною ниткою, що пов’язувала б ці нові частинки з нашим реальним світом, стала б гравітація. Учені не без іронії назвали ці частинки супервімпами; вони також могли б становити темну матерію в сучасному нам Всесвіті. Супервімпи неможливо спостерігати безпосередньо за допомогою астрономічних інструментів, але вони могли б залишати певні характерні сліди в профілі яскравості галактик. Народившись, супервімпи мали переважно володіти субсвітловою швидкістю. Їм був потрібен певний час, щоб погасити цю швидкість і дати початок зародженню протогалактик. Але розширення Всесвіту весь цей час тривало, і тому через цю затримку звичайна речовина мала менше часу для концентрації в центральних областях галактик, що формувалися, і розсіювалася в просторі. Таким чином, величина густини в центрі гало темної матерії дає змогу розрізнити, з вімпів чи із супервімпів складається ця темна матерія. Астрономи досліджують цю густину. Зауважимо також, що реакція розпаду вімпів на супервімпи могла б породити електрони або фотони, які могли б ударяти в легкі ядра. Так, є ознаки того, що Всесвіт містить менше літію, ніж очікувалося; супервімпи могли б пояснити цю нестачу.
Гіпотеза супервімпів пропонує матеріал для роздумів не лише астрономам, а й фізикам-експериментаторам. Наприклад, початкова частинка-вімп не обов’язково має бути прихованою або слабковзаємодійною; вона може мати електричний заряд. Хоч би яким був заряд, він ніяк не вплине на еволюцію Всесвіту, оскільки сама частинка дуже швидко розпадається. Проте наявність цього заряду привела б до того, що вімпи можна було б легко ідентифікувати в лабораторних умовах. Маючи такий самий заряд, але в 100 тис. разів більшу масу, подібні частинки можуть залишати добре помітні треки.
Темні сили, приховані світи
Головний урок моделей супервімпів — демонстрація того факту, що немає ні спостережних, ні теоретичних обмежень на можливість пояснювати природу темної енергії великою кількістю рівноправних сутностей, про які астрономи спочатку й не підозрювали. Оскільки визнається можливість існування прихованих частинок, що мають інші властивості, ніж передбачає модель стандартних вімпів, логічно розглядати всі можливі типи прихованих частинок. Чи може виявитися прихованим такий набір частинок, що стане можливим існування цілого прихованого світу, точної копії нашого? У цьому світі були б приховані електрони та протони, які формували б приховані атоми й молекули, а ті своєю чергою формували б приховані планети, зорі й навіть прихованих людей…
Можливість ідентичності нашого та незримого світів теоретики досліджували неодноразово, починаючи з коментаря до статті нобелівських лауреатів 1957 р. Цзундао Лі (Tsung–Dao Lee) і Ян Чженьніна (Chen Ning Yang) і аж до недавнього часу. Чи може виявитися так, що те, що ми вважаємо темною матерією, — насправді наслідок існування незримого об’єкта, дзеркального щодо нашого світу? І чи є в цьому задзеркаллі фізики й астрономи, які так само намагаються проникнути в таємниці темної матерії, якою, з їхнього погляду, є ми?
На жаль, спостереження показують, що приховані світи не можуть бути точною копією нашого видимого світу. По-перше, тому що темної матерії приблизно в шість разів більше, ніж звичайної. По-друге, якщо темна матерія поводиться як звичайна матерія, то гало галактик має еволюціонувати в плоскі дискові структури, подібні до нашого Чумацького Шляху. Ці перетворення своєю чергою мають супроводжуватися грандіозними гравітаційними збуреннями, що не підтверджується спостереженнями. І, нарешті, по-третє, існування прихованих частинок, ідентичних нашим, впливало б на темп космологічного розширення, підвищуючи швидкість синтезу водню й гелію в ранньому Всесвіті, що також не відповідає спостереженням. Ці доводи фактично спростовують існування прихованих людей.
Як уже йшлося, темні світи можуть виявитися вмістилищами різноманітних частинок, що взаємодіють за новими для нас законами. В одному з напрямів теоретичних досліджень, якого дотримується й один з авторів цієї статті (Джонатан Фен), спільно з ученими з Гавайського університету було виявлено, що в межах суперсиметричних моделей, у яких, як уже було сказано, сценарій вімпів переходить у сценарій супервімпів, можлива поява й інших нових частинок. Крім того, ці нові частинки, що змінюють вімпи, взаємодіють одна з одною за допомогою нових, невідомих нам сил, названих темними. Учені показали, що такі сили можуть підвищувати інтенсивність народження та знищення (анігіляції) частинок у ранньому Всесвіті, однак кількості цих частинок недостатньо для пояснення сучасної темної матерії. Ці моделі передбачають, що дія темної матерії може супроводжуватися ефектами прихованих сил слабкої взаємодії або навіть певною подобою прихованої електромагнітної сили, під дією якої темна матерія може випромінювати й відбивати приховані фотони.
Приховані фотони («чорне світло») ми, звісно, не здатні побачити. Темна матерія залишається невидимою для наших очей. Однак нові сили могли б мати значні спостережувані ефекти. Наприклад, ці сили могли б деформувати хмари частинок темної матерії, що проходять одна крізь одну. Астрономи шукали такі ефекти у знаменитому скупченні Куля, що складається з двох скупчень (кластерів) галактик, які тісно взаємодіють між собою. Спостереження показують, що темна матерія в цих двох кластерах залишається незбуреною, а це означає, що темні сили не повинні бути надто великими. Дослідження «сили темних сил» тривають і на інших системах.
За допомогою темних сил темні частинки могли б обмінюватися енергією та моментом обертання, що привело б до встановлення однорідності в системах темних частинок і до того, що гало, які складаються з них, набували б сферичної форми. Цей процес має бути найпомітнішим для невеликих — карликових — галактик, у яких темна матерія повільно обертається, частинки рухаються поруч одна з одною, і тому малі ефекти можуть існувати досить довго. Спостережуваний систематичний ефект кулястості карликових галактик, виражений сильніше, ніж у більших галактик, — непряма ознака активності темних сил. Дослідження в цьому напрямі тільки починаються.
Із темряви в темряву
Ще одна цікава властивість темної матерії — її можлива взаємодія з темною енергією. Попри те що найреалістичніші теорії вважають темну матерію й темну енергію не пов’язаними між собою, немає серйозних підстав зводити це припущення до рангу закону. Нині ведуться активні дослідження можливих наслідків такої взаємодії. Є надія, що зв’язок між ними зможе принаймні пом’якшити деякі гострі космологічні проблеми, наприклад проблему порівнянності їхніх густин. Густина темної енергії приблизно в три рази більша за густину темної матерії, хоча це співвідношення могло бути і тисяча, і мільйон. Такий збіг мав би сенс, якби темна матерія була якимось чином чутливою до темної енергії.
Зв’язок із темною енергією міг би привести до того, що частинки темної матерії стали б взаємодіяти між собою так, як не могли б частинки звичайної матерії, що показують нещодавні дослідження. Під дією сил, зумовлених впливом темної енергії, темна матерія відокремлюється від звичайної матерії. У 2006 р. Марк Каміонковскі (Marc Kamionkowski) з Каліфорнійського технологічного інституту та Майкл Кесден (Michael Kesden) з Канадського інституту теоретичної астрофізики в Торонто досліджували карликові галактики на предмет цього ефекту. Наприклад, карликова галактика в сузір’ї Стрільця розірвана припливним гравітаційним полем Чумацького Шляху і, за припущеннями астрономів, її темна матерія та звичайна речовина мають перетікати в нашу Галактику. За розрахунками Каміонковскі й Кесдена, якби сили, що впливають на темну матерію, відрізнялися хоча б на 4% від сил, які діють на звичайну видиму матерію, то це привело б до спостережуваного зміщення обох компонентів. Дані спостережень показують відсутність такого зміщення.
Згідно з іншою гіпотезою, зв’язок темної матерії й темної енергії має посилювати зростання космічних структур, які чутливі до складу Всесвіту, зокрема і його темної складової. Низка дослідників, зокрема другий автор цієї статті (Марк Тродден), використали цей потужний індикатор, щоб відсіяти широкий клас нереалістичних моделей.
СРІБНА КУЛЯ
З погляду астрономів, відоме скупчення Куля — найяскравіше свідчення існування темної матерії. Докладніше, це два скупчення галактик (кластери), що зливаються. Це злиття не впливає на зорі цих галактик, але впливає на протяжні області міжзоряного газу, які в процесі взаємодії випромінюють рентгенівське випромінювання (показано рожевим на рисунку). Темна матерія (показана блакитним на рисунку) виявляє своє існування, викривляючи своїми гравітаційними полями світлові промені, що надходять від фонових джерел
Попри ці, здавалося б, нульові практичні результати, сукупність теоретичних обґрунтувань різних структур темних світів нині настільки обширна, що дослідники радше здивувалися б, виявивши, що темна матерія складається лише з вимпів. Зазначимо, що звичайна видима матерія складається з великої кількості різноманітних частинок, взаємодії між якими визначаються красивими принципами симетрії, — і немає жодних вказівок на те, що темна матерія і темна енергія не підпорядковуються цим принципам. Так, ми не знайшли прихованих зір, прихованих планет і прихованих людей. Але подібно до того, як тепер ми вже не можемо уявити собі Сонячну систему без Нептуна, Плутона та ще віддаленіших від нас трансплутонових об’єктів, так само одного дня ми не зможемо уявити собі Всесвіт без темних світів.
ГРАДАЦІЯ НЕПОМІТНОСТІ
Супервимпи були першими частинками, що збагатили стандартний сценарій темної матерії, яка складається лише з вимпів. Термін почасти іронічний: у назві частинок слово «супер» означає не більшу енергію, ніж у вимпів, а більшу слабкість, більшу непомітність під час взаємодії з частинками звичайної матерії. Супервимпи взаємодіють з баріонною матерією лише за допомогою гравітації
Баріонна матерія
Вимпи
Супервимпи
У сценарії вимпів (ліва колонка) ці частинки — безпосередня основа формування галактик. У сценарії супервимпів (права колонка) вимпи розпадаються на супервимпи, які надалі слугують тією самою «затравочною масою» для концентрації поблизу неї частинок звичайної матерії та формування галактик, однак із деяким запізненням порівняно з першим сценарієм
Вимпи, що народжуються в ранньому Всесвіті після Великого вибуху
Вимпи, що народжуються в ранньому Всесвіті після Великого вибуху
Вимпи сповільнюються і дають початок галактикам
Вимпи розпадаються на швидкі супервимпи
Формування галактик
Супервимпи сповільнюються і слугують основою для утворення галактик
Еволюція галактик
Формування галактик
ЯК ПОБАЧИТИ НЕВИДИМЕ
Давно відомо, що темна матерія опосередковано виявляє себе в гравітаційних взаємодіях зі звичайною видимою матерією. Однак, щоб зрозуміти природу темної матерії, необхідні її прямі спостереження. Це завдання не з простих: надто вже темна матерія темна. Проте дослідження активно тривають, причому основну увагу приділяють частинкам-вимпам. Існує три основні стратегії пошуку вимпів: за їхньою анігіляцією, розсіянням і народженням
АНІГІЛЯЦІЯ
Коли зустрічаються два вимпи, вони знищують один одного, залишаючи після себе інші частинки, такі як електрони, позитрони та нейтрино. Анігіляція лише часткова, інакше до наших днів не дожив би жоден вимп. На щастя, рівень сучасних спостережень дає змогу виявляти навіть незначну кількість подій анігіляції. Детектори, встановлені на висотних аеростатах і супутниках, реєструють електрони та позитрони. Найближчого року космічний апарат доставить на МКС Магнітний альфа-спектрометр для пошуку позитронів. Наземні обсерваторії — експеримент Super–Kamiokande (Японія), Ice Cube (Антарктика) — шукають нейтрино
ПРЯМЕ ВИЯВЛЕННЯ
Під час своєї подорожі космічним простором темна матерія має проходити крізь Землю. З малою, хоча й не нульовою ймовірністю вимп може влучити в атомне ядро і спричинити його віддачу, яку можна зареєструвати. Сучасна кріогенна технологія дає змогу зменшувати природні коливання атома і таким чином реєструвати навіть дуже слабку віддачу. Два експерименти, DAMA і GoGeNT, повідомили про отримання сигналів, але інші — XENON і CDMS — нічого не виявили. Експерименти тривають
НАРОДЖЕННЯ
Темна матерія може бути створена в прискорювачах частинок, подібних до Великого адронного колайдера в CERN. У ході цього експерименту зіштовхуються спрямовані назустріч один одному пучки протонів, що мають надвисокі енергії. Народження темної матерії — це процес знищення темної матерії, обернений у часі. Так, якщо темна матерія може анігілювати з народженням частинок звичайної речовини, то темну матерію можна отримати під час зіткнення звичайних частинок. Сигналом виявлення темної матерії послужило б зіткнення частинок, за якого частина енергії та моменту обертання здавалася б відсутньою, показуючи, що народилися певні дуже слабковзаємодійні частинки, які легко покинули детектор. Учені очікують, що в ході цього експерименту стане можливим з’ясувати природу темної матерії у Всесвіті
| Назва експерименту | CDMS | DAMA | GoGeNT | PAMELA |
| Розшифрування назви експерименту | Кріогенний пошук темної матерії | Когерентна германієва нейтринна технологія | Темна матерія | Прилад для дослідження антиматерії та астрофізики легких ядер |
| Місце розташування | Рудник у Судані, Міннесота | Підземна лабораторія Гран-Сассо, Італія | Рудник у Судані | Російський супутник |
| Що виявлено | Дві події віддачі | Річна варіація кількості подій віддачі | Подія віддачі | Надлишок позитронів |
| Чому сигнал можна вважати реальним | Прямий очікуваний сигнал темної матерії | Статистично значуща подія | Чутливість до наднизьких коливань енергії | Прямий очікуваний сигнал анігіляції темної матерії |
| Чому сигнал не можна вважати реальним | Статистично незначуща подія | Частково виключений іншими результатами | Природна подія в ядрі | Інші астрофізичні джерела |
| Наступні експерименти | SuperCDMS, XENON | XENON, MAJORANA | XENON, MAJORANA | Магнітний альфа-спектрометр |
Переклад: О.С. Сажина
ПРО АВТОРІВ
Марк Тродден (Mark Trodden) — співкерівник Центру з вивчення фізики частинок у космології при Пенсильванському університеті.
Джонатан Фен (Jonathan Feng) — фізик-теоретик Каліфорнійського університету в Ірвайні, який працює на перетині фізики елементарних частинок і космології з акцентом на проблемах темної матерії.
ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА
- Einstein’s Telescope: The Hunt for Dark Matter and Dark Energy in the Universe. Evalyn Gates. W. W. Nor ton, 2009.
- Approaches to Understanding Cosmic Acceleration. Alessandra Silvestri and Mark Trodden in Reports on Progress in Physics, Vol. 72, No. 9, Paper No. 096901; September 2009. arxiv.org
- Modern Cosmology and the Building Blocks of the Universe. Mark Trodden. Penn Alumni Weekend Lecture, May 15, 2010.
- What’s the Matter? The Search for Clues in Our Cold, Dark Universe. Jonathan Feng. Pagels Memorial Public Lecture, July 14, 2010.
- Dark Matter Candidates from Particle Physics and Methods of Detection. Jonathan L. Feng in Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 48, pages 495–545; August 2010. arxiv.org
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (13):
Очень интересная статья. Теперь я буду постоянным посетителем вашего сайта. Астрофизика и физика элементарных частиц это моё хобби на протяжении уже 55 лет и что-то новое узнавать приходится не так часто. Без интереса к фундаментальным наукам у нашей страны нет будушего. В этом я глубоко убеждён. Спасибо Вам.
Да она уже давно бьёт рекорда по читаемости...
натемнили уж сильно :) много схоластики. А вот Millenium Simulation меня в своё время впечатлило
см.: http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
По поводу тёмной материи вопрос: могут ли образовываться тёмные чёрные дыры? Т.к. тёмная материя "чувствует"
только гравитацию, то вполне естественна конечная стадия - коллапс в ЧД!
К hel от 16 June, 21:57
Если вы имеете ввиду могут ли из темной материи и темной энергии образовываться черные дыры, то конечно да, гравитации все равно во что коллапсировать, правда темная энергия, обладая отрицательным давлением только препятствует этому -но это тоже гравитация. Такие черные дыры, в следствие теоремы об отсутствии волос быстро забывает свое начальное состояние т.е. то из чего и как они образовались.
Формально, конечно тёмная материя (ТМ) может коллапсировать.
Кстати, тёмная энергия (ТЭ) "работает" на больших масштабах, возможно больше, чем масштаб скоплений галактик (впрочем этот вопрос сейчас обсуждается - см. Старобинского). Поэтому ТЭ здесь не имеет смысла привлекать. А вот что касается ТМ - вопрос остаётся. Всегда демонстрируют картинки с гладким
распределением плотности ТМ, поскольку все они являются результатом эффекта грав. линзирования, где клампированность ТМ выделить практически невозможно. Но может ли ТМ находится в клампированном состоянии (в рамках задачи джинсовской неустойчивости)? Возможно, поскольку WIMPы являются вободными (?) частицами, то как и электронный газ в скоплениях, распределение ТМ остаётся сглаженным и существенная фрагментации, которая может приводить к формированию сложных структур, маловероятна. А как следствие всего вышеказанного, и возникновение тёмных чёрных дыр также маловероятно.
Кстати, хорошая популярная статья по тёмной энергии и тёмной материи Лукаш&Михеева ссылка http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6298/ . У них в прошлом году вышла книга в физматлите "Физическая космология".
У нас на сайте тоже много статей про темную материю и темную энергию.
С этой книгой я знаком, частично читал, книга действительно хороша.
Спасибо! Действительно много статей. Хороший сайт! Хочу отметить дизайн - строго и со вкусом.
А каким цветом отмечена темная материя в Millenium Simulation?
К AlexKolmak от 24 October, 11:27
Где ярче, там её больше.
К hel от 16 June, 21:57
>вопрос: могут ли образовываться тёмные чёрные дыры?...
Только лишь из постановки этого вопроса вытекает некая классификация ЧД по "внутреннему" составу или по тому, из чего, какой материи образовалась та ли иная ЧД, что бросает вызов Вернеру Израэль автору теоремы про "волосатость" ЧД (в рамках применимости этой теоремы разумеется).
Существует гипотеза, согласно которой тёмная материя может представлять собой обычную барионную материю, в которой фундаментальные частицы барионы (электроны, кварки, глюоны и бозоны) существуют мизерное время. А гравитационное влияние её объясняется статистическим распределением их массы в огромном объёме гало галактик. Распадаясь, они излучают фотоны, которые не могут покинуть области тёмной материи. И вот почему. Все элементарные частицы - результат случайных флуктуаций разнородных полей тёмной энергии. Эти флуктуации могут быть стабильными и нестабильными. Фотон и все нейтрино - флуктуация двух полей из 6 возможных, а остальные частицы - флуктуация 3 полей из 6 возможных. Другими словами, барионная. стабильная материя - результат большей турбулентости нескольких провзаимодействовавших полей, а тёмная материя - остаток полей, которые не успели сконденсироваться в устойчивую структуру. Недостаток этой гипотезы в том, что изначально такая Вселенная должна быть разнородна.