Темная материя и гравитация

С начала 30-х годов XX века накапливалось все большее число фактов свидетельствующих в пользу существования невидимой субстанции, заполняющей собой огромные области космического пространства и взаимодействующей с гравитационным полем. Одним из наиболее убедительных свидетельств ее существования стали наблюдаемые кривые вращения галактик, показавшие наличие скрытой массы, которая по расчетам в несколько раз превосходит все видимую барионную материю в галактиках.

Традиционно существуют два пути решения проблемы скрытой массы:

1) Модернизация теории гравитации

На данном направлении созданы такие теоретические модели как: модифицированная ньютоновская динамика (MOND) [1], предложенная в 1983 г. израильским физиком Мордехаем Милгромом, модифицированная гравитация Моффата (MOG) [2] или иначе скалярно-векторная-тензорная гравитация (STVG), предложенная канадским физиком Джоном Моффатом. Общее количество предложенных теорий гравитации на сегодняшний день составляет несколько десятков и с ними отдельно можно ознакомится в статье - альтернативные теории гравитации [3].

2) Введение материи не испускающей электромагнитное излучение и не взаимодействующей с ним, получившей название "темной" материи

На данном направлении для объяснения эффекта скрытой массы были предложены:

1. Барионная темная материя - темные галактические гало, коричневые карлики, белые карлики, черные карлики, нейтронные звезды, черные дыры, кварковые звезды,  Q-звезды, преонные звезды [4].

2. Небарионная темная материя в качестве которой рассматриваются следующие частицы кандидаты: легкие нейтрино, тяжелые нейтрино, аксионы, суперсимметричные частицы, космионы, топологические дефекты пространства-времени, первичные черные дыры [4].

3. Эмерджентная теория гравитации Э. Верлинде - дополнительная гравитация объясняется изменением битов информации заложенных в структуре пространства-времени [5]. 

4. Масштабный усилительный эффект - взаимодействие структуры темной материи с гравитационным полем, предлагаемый автором данной статьи.

Следует отметить что в пунктах 1-2 предполагается что темная материя состоит из неизвестных частиц, либо других объектов которые имеют гравитационную массу, в пунктах 3-4 сделано предположение что темная материя является свойством пространства и существует в виде поля. 

История открытия темной материи

История темной материи началась в 1933 году, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки опубликовал поразительные результаты его изучения галактических скоплений. В своей работе он пришел к выводу, что большая часть вещества в скоплениях полностью невидима. Цвикки утверждал, что сила гравитации должна удерживать галактики в кластере вместе, так как в противном случае они будут двигаться друг от друга в следствии их собственных высоких относительных скоростей. При определении скорости движения многих галактик внутри кластера из измерения доплеровского сдвига спектральных линий можно вывести требуемое гравитационное притяжение и тем самым общую массу в кластере. К удивлению Цвикки требуемая масса оказалась намного превышающей видимую массу в кластере. Его результаты были встречены научной общественностью того времени с большим скептицизмом. Прошло еще 60 лет, пока не было доказано, чтобы его выводы были правильными.

Сотворение вселенной и материи, первые мгновения

Наши знания о начале Вселенной довольно туманны, так как она была рождена при условиях, которые не описываются никакими известными современной науке физическими законами. Мы просто называем это неописуемые моменты рождения Большого взрыва. После Большого взрыва Вселенная быстро расширялась, начиная с невероятно малой области с размерами порядка 10-33 см и немыслимо высокой плотностью материи 1094 г/см3. Теории великого объединения (GUT, [6]), которые направлены на описание физических законов в этом молодом возрасте Вселенной, говорят нам о том что физика была гораздо проще в то время, так как существовала только одна сила, управляющая всем. Сегодня, однако, мы различаем четыре фундаментальные силы: сила тяжести, которая притягивает нас к земле и планеты к Солнцу, электромагнитная сила, которая держит отрицательно заряженные электроны во внешней оболочке атома притягиваемые к положительно заряженному ядру в центре, слабая сила, которая отвечает за радиоактивный распад который мы наблюдаем, когда неустойчивые ядра распадаются, и сильная сила, которая удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре. Все эти силы были объединены в единую силу в это раннее время. Физики называют это - состоянием симметрии, поскольку все силы имеют одинаковое значение, и поэтому неотличимы друг от друга. Однако в ходе стремительного расширения Вселенной эта симметрия быстро была нарушена и сила тяжести, сильные и электро-слабые силы появляются сегодня как отдельные силы многократно отличающиеся по степени интенсивности по отношению друг к другу и отвечающие за разные процессы: гравитационное взаимодействие, радиоактивность (слабая), устойчивость атомов (электромагнитная), удержание вместе протонов и нейтронов в ядре (сильная).

Огромная изотропность и однородность Вселенной, которую мы наблюдаем при рассмотрении распределения галактик в пространстве, и которая получается из измерений космического микроволнового фонового излучения, очень озадачивает. Это происходит потому, что есть регионы, в расширяющейся Вселенной, которые никогда не были в тесном контакте друг с другом, и даже у света во время его путешествия по Вселенной  не было достаточно времени чтобы передать информацию от одного региона к другому. Для того, чтобы решить эту головоломку астрофизики А. Гут и А. Линде представили сценарий, согласно которому Вселенная пережила экспоненциально быстрое расширение в течение очень короткого периода времени между 10-36 до 10-34 секунд после Большого взрыва. В течение этого периода Вселенная быстро увеличилась в размерах примерно на фактор 3x1043. В таком варианте инфляции становится возможным соединить регионы вселенной, которые иначе были бы отсоединены друг от друга [6]. Тем не менее, после этого короткого периода инфляции Вселенная продолжала расширение с запаздывающей скоростью. Теория ранней инфляции очень хорошо согласуется с большинством космологических представлений и решительно подтверждается недавними наблюдения космического микроволнового фона.

Рисунок 1. Температуры примерно 2 х 1012 были достигнуты в эксперименте столкновений частиц в ЦЕРНе. Свинцовую мишень бомбардировали  выскорелятивистскими ядрами свинца. При этой температуре происходит образование кварк-глюонной плазмы. На рисунке показан взрыв множества частиц, что является типичным, когда происходят переходы из фазы кварк-глюонной плазмы в нуклонную фазу. (NA49 эксперимент в ЦЕРН) [6]

Согласно этому сценарию инфляционная фаза Вселенной внезапно закончилась созданием материи и излучения около 10-34 секунды после Большого взрыва. В это время Вселенная содержала все основные строительные блоки материи кварки, глюоны, электроны и их античастицы. Тем не менее, большая часть энергии Вселенной существовала в форме излучений, в основном это были фотоны, нейтрино, и т.д ... Однако расширяясь Вселенная охлаждалась, излучение теряло свою энергию быстрее чем материя, и, когда Вселенной исполнилось примерно десять тысяч лет энергетический баланс сместился в пользу материи [6].

Фаза кварк-глюонной материи закончилась примерно через 10-6 секунды после Большого взрыва, когда Вселенная охладилась до температуры 2x1012 Кельвин. При этой температуре происходит фазовый переход из кварк-глюонной плазмы к нуклонной фазе вещества (Рисунок 1), в которой и были сформированы протоны и нейтроны. В этом процессе три кварка разных цветовых зарядов (так называемые верхние и нижние кварки) объединились вместе, чтобы сформировать протон (два верхних кварка и один нижний кварк) или нейтрон (два нижних кварка и один верхний), аналогично антипротоны (два анти-верхних кварка и один анти-нижний кварк), антинейтроны (два анти-нижних-кварка и один анти-верхний кварк).

Глюоны это безмассовые частицы переносчики сильного взаимодействия, они обеспечивают удержание кварков вместе внутри нуклонов и удержание нуклонов вместе внутри атомного ядра. После этого фазового перехода были все основания ожидать, чтобы в конечном итоге число нуклонов и антинуклонов окажется одинаковым, и они уничтожают друг друга после создания в аннигиляции, и у материи нет шансов на существование. К счастью, это было не так. Причина, по которой мы живем в мире материи, без антиматерии заключается в очень тонком эффекте, который рассматривает материю и антиматерию по разному во время фазы создания. Этот эффект, известен как СР-нарушение (спонтанное нарушение симметрии), впервые был обнаружен в ускорительном эксперименте В. Фитчем и Д. Крониным в 1964 году, за который они получили Нобелевскую премию в 1980 году, и был использован А. Сахара, чтобы объяснить асимметрию материи антивещества во Вселенной.

Рисунок 2. Эволюция Вселенной. Современная физика и экспериментальные наблюдения документируют историю Вселенной из инкрементной доли времени после Большого взрыва 15 миллиардов лет назад до его нынешнего состояния. Темная материя рассматривается сегодня как фактор имевший ключевую роль в формировании звезд и галактик. (© CERN Publications, июль 1991) [6]

В ходе дальнейшего расширения Вселенная охладилась до температуры 109 градусов Кельвина, в этот момент протоны и нейтроны начали взаимодействовать друг с другом, и сформировали легкие элементы, такие как гелий, дейтерий, литий и бериллий. Эта фаза нуклеосинтеза началась через несколько секунд после Большого взрыва. Более тяжелые элементы образовались только много миллионов лет спустя, главным образом во время формирования звезд и взрывов сверхновых. После того, были сформированы ядра легких элементов прошло еще триста тысяч лет времени, прежде чем к ним присоединились электроны, и наконец возникли атомы.

Космическое фоновое излучение

Спустя триста тысяч лет после Большого взрыва в результате первичной рекомендации водорода и других легких элементов излучения во Вселенной стало больше, и тот самый момент когда Вселенная становится прозрачной для излучения. Это излучение из ранней Вселенной было впервые обнаружено Р. Вильсоном и А. Пензиасом в 1965 году, а в 1978 г. они получили Нобелевскую премию за его открытие. Открытие космического фонового (реликтового) излучения было сделано случайно, ученые занимались проверкой новых микроволновых приемников, для связи со спутниками на околоземной орбите. Независимо от того, в каком направлении они устанавливали свои антенны, они всегда измеряли один и тот же шум. Сначала этот результат оказался довольно разочаровывающим для них, но случилось так что о работе узнали астрономы Р. Дике и П. Пиблс, и они поняли, что это не шум приемника, а космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) от Большого взрыва. Из частотного спектра и закона Планка об излучении черного тела температура реликтового излучения была определена равной 2,7 Кельвина. Независимо от того, в каком направлении и части Земли космическое излучение обнаруживается, его температура остается одинаковой, свидетельствуя об однородности Вселенной. Наиболее точные измерения CMB производятся спутником COBE, который был отправлен на орбиту в 1989 году, он обнаружил колебания температуры только на уровне одной части на сотни тысяч.

Откуда взялась темная материя?

После этого краткого описания истории Вселенной и сотворения материи мы спрашиваем себя: что нам известно о темной материи? Когда и как она была создана? Частичный ответ на этот вопрос дан нам измерениями фонового космического микроволнового излучения. Они показывают области низких и более высоких температур на карте вселенной, которые обусловлены колебаниями плотности вещества. Они уже присутствовали в момент разделения излучения и материи, через триста тысяч лет после Большого взрыва, задолго до того, как образовались галактики и скопления галактик. У нас есть основания полагать, что эти флуктуации плотности обусловлены темной материей, которая, возможно, создана из квантовых флуктуаций во время инфляционной фазы Вселенной. Эти колебания расширились сначала в момент инфляционной фазы, а затем их расширение тормозилось за счет гравитационных сил связи. Впоследствии они образовали гравитационные потенциальные ямы, в которые падало обычное вещество сформировав через миллиард лет галактики и звезды. Все галактики и скопления галактик, как показывают астрономические наблюдения встроены в гало темной материи [6].

Рисунок 3. Орбитальные скорости звезд относительно центра Галактики (спиральная галактика NGC 3198) в зависимости от радиального расстояния. Наблюдения дают убедительные доказательства наличия протяженного гало темной материи окружающего галактику. Ожидаемая кривая вращения по закону Кеплера, если бы отсутствовала темная материя, показана на рисунке  сплошной красной линией [6]

Как мы можем узнать, сколько всего материи? Типичные галактики, содержащие сотни миллиардов звезд имеют яркость, которая пропорциональна их массе. Таким образом, путем простого подсчета галактик по большому объему в пространстве и в предположении, что галактики равномерно распределены по всей вселенной, можно оценить общую массу видимой массы вселенной. Тем не менее, она оказывается лишь порядка 1% от истинной массы Вселенной. Если же закон Кеплера, описывающий орбитальное движение планет в нашей Солнечной системе правильно работает везде во Вселенной, то вращательные скорости звезд можно объяснить только в том случае, если масса галактики увеличивается с радиальным расстоянием от его центра. Численные расчеты показывают, что материи в галактиках должно быть по крайней мере, на порядок больше чем видно. Из этих измерений, которые выполнены для сотен различных галактик, высказано предположение, что каждая галактика должна быть встроена в огромное гало темной материи, которая тянется даже за пределами видимого диаметра галактики (рисунок 4). Спиральные галактики окружены облаками нейтрального водорода, которые сами по себе не вносят существенного вклада в массу галактики, но служат в качестве индикаторов орбитального движения за пределами оптических дисков галактик. Атомы водорода в облаках испускают характерное излучение с длиной волны 21 см, из-за сверхтонкого взаимодействия электрона и протона в атоме водорода, в связи с чем он может быть обнаружен. Эти измерения показывают, что гало темной материи выходит далеко за пределы оптических дисков галактик (рисунок 4) [6].

Рисунок 4. Экспериментальная кривая вращательных скоростей галактики Андромеды М31 из оптических наблюдений (В. Рубин и др.) и радионаблюдений на длине волны 21 см (Б. Робертс и др.) [6]

Открытие темной энергии

Большой сюрприз произошел в 1998 году, исследовались сверхновые типа 1a в рамках космологического проекта Супер (SCP). Сверхновые типа 1a в сто тысяч раз ярче, чем обычные звезды. Они видны на очень больших расстояниях, для прохождения которых свету необходимо несколько миллионов лет. Мы в настоящее время можем наблюдать взрывы сверхновых, которые произошли несколько миллионов лет назад. Так как взрыв каждой сверхновой типа 1a всегда имеет практически одинаковое общее количество высвобождаемой энергии, все они имеют одинаковую яркость, и поэтому классифицируются как стандартные свечи в космосе. С помощью измерений сверхновых астрофизикам удалось установить, что Вселенная не замедляется в процессе расширения, как это предполагалось до сих пор, а, наоборот расширяется с ускорением (рис 5). Эти результаты свидетельствуют об удивительной новой особенности нашей Вселенной, которая революционно изменила предыдущие взгляды и оставляет нас с новой головоломкой, расширение с ускорением должно быть вызвано какой-то новой неопознанной формой энергии, сейчас ее называют темной энергией.

Эта вездесущая темная энергия составляет 70% от всей массы Вселенной и имеет странную особенность, в гравитационном взаимодействии она играет роль силы отталкивания. Это трудно себе представить, так как наш повседневный опыт и закон тяготения Ньютона говорят нам, что вся материя должна гравитационно притягиваться друг к другу, но кажется темная энергия нарушает этот закон. По закону тяготения Эйнштейна сила притяжения зависит не только от массы и других форм энергии, но и от давления. Из уравнения Эйнштейна, которое описывает состояние вселенной, следует, что гравитационное поле является отталкивающим, если давление отрицательное, и притягивающее, если давление является положительным. Для того, чтобы обеспечить достаточное отрицательное давление, уравновешивающее силу притяжения гравитации, Эйнштейн первоначально ввел так называемую космологическую константу, для удержания вселенной в стационарном состоянии. В то раннее время все наблюдения свидетельствовали казалось в пользу стационарного состояния Вселенной без какой-либо эволюции, ничего не говоря о ее начале и конце. Когда Эйнштейн узнал о законе расширения Хаббла Вселенной открытом в 1920 году он отказался от космологической постоянной, признав, что это была его самая большая ошибка. Долгое время космологи предполагали, что космологическая константа пренебрежимо мала и установили его значение равным нулю, так как она, казалось, не имела никакого значения в описании эволюции Вселенной. Совсем недавно это изменилось, так как теперь мы знаем об ускоренном расширении Вселенной.

В отличие от темной материи, которая участвует в гравитационном притяжении, темная энергия не может группироваться. Темная материя, отвечает за формирование структуры Вселенной. Хотя истинная природа темной энергии и темной материи, не известна, последняя в конечном итоге может быть непосредственно обнаружена, в то время как первая не может [6].

Рисунок 5. Недавние измерения сверхновых показывают, что расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется, как предполагалось ранее. Эти наблюдения свидетельствуют о наличии темной энергии. (© Scientific American, январь 1999) [6]

Кандидаты на роль темной материи

Небарионная темная материя

Наиболее очевидными кандидатами на роль небарионной темной материи были бы нейтрино, если бы имели достаточную массу. Нейтрино бывают трех типов - электронное, мюонное, тау-нейтрино. Если бы нейтрино имело массу примерно в 10-9 раз меньше массы атома водорода, то это бы позволило правдоподобно объяснить темную материю. Указанное значение выглядит невероятно малой массой, но нейтрино относятся к числу наиболее распространенных частиц во Вселенной и превосходят барионы с коэффициентом 1010 [6]. Долгое время считалось, что нейтрино не имеют массы, стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя это предположение. Все экспериментальные попытки определить массу нейтрино закончились определением лишь ее верхних пределов, в настоящее время это значение считается равным 0.28 эв (электрон-вольт). Указанная величина массы говорит о том что суммарная масса всех нейтрино может быть того же порядка что и барионной материи, но никак не превосходит ее на порядок, однако в этом вопросе видимо еще рано ставить точку. Будущее покажет, окажутся ли нейтрино в состоянии внести существенный вклад в недостающую массу во Вселенной.

Коктейль из небарионной темной материи

Компьютерные модели позволяют исследовать малые и крупные структуры в рамках гипотезы о различных небарионных кандидатах на роль темной материи. Две основные категории существенно отличаются, а именно это так называемые горячая и холодная темная материя. Нейтрино подпадают под категорию горячей темной материи, так как их скорости были очень большими, в момент когда они отделились от материи, через несколько миллисекунд после Большого взрыва. Из-за своей высокой скорости они не смогли бы скапливаться на небольших галактических участках, но их общая сила тяготения  по-прежнему может быть значительной на очень больших масштабах, типичных для суперкластеров [6].

С другой стороны кандидаты на роль холодной темной материи должны были иметь малые скорости на ранних стадиях эволюции Вселенной и, следовательно, у них была возможность сконцентрироваться в связанные системы. Поэтому холодная темная материя должна была бы доминировать в ранней Вселенной, что объясняет раннее формирование галактик в хорошем согласии с наблюдениями, в противном случае пришлось бы населить вселенную мелкими структурами, которые не соответствуют нашим наблюдениям. На такие вопросы, как, сколько горячей и сколько холодной темной материи есть во Вселенной или существует только холодная темная материя, до сих пор нет однозначного ответа. Некоторые компьютерные модели дают результаты, которые ближе к наблюдаемой картине при процентном соотношении 30% горячей и 70% холодной темной материи [6].

Нейтралино

Экзотические частицы нейтралино являются одними из самых вероятных кандидатов на роль холодной темной материи. Нейтралино являются стабильными элементарными частицами, которые предсказаны теорией суперсимметрии (SUSY), являющейся расширением стандартной модели элементарных частиц. Если нейтралино существуют, то они решат две проблемы современной науки одновременно: а именно темной материи и суперсимметрии, что является необходимым условием для объединения всех сил в природе в так называемой теории великого объединения (ТВО). Эксперименты на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН, имеют одной из основных целей поиск этих частиц.

Слабо взаимодействующие частицы

Если темная материя состоит из нейтралино, которые были произведены вместе с другими частицами в ранней Вселенной и которые не удалось обнаружить, потому что они слабо взаимодействуют с обычным веществом, то необходимо создание специальных детекторов для их обнаружения. Эти детекторы должны быть способны измерять очень маленькую энергию, которую передают эти частицы в процессах упругого рассеяния с материалом детектора. Из-за очень слабой связи с обычным веществом эти частицы также называют вимпами. Они в большом количестве содержаться в гало нашей Галактики и должны иметь локальную плотность в нашей солнечной системе которая эквивалентна одному атому водорода в 3 см3. Так как они связаны с нашей Галактикой, при средней скорости 270 км / с, их поток будет очень большим. Однако, поскольку они слабо взаимодействуют с веществом, предсказанная вероятность взаимодействия, как правило, меньше, чем одно событие в день на килограмм материала детектора [6].

Рисунок 6. ОРФЕЙ-детектор содержит миллиарды мелких гранул олова с диаметром 30 мкм. Они охлаждены до -273 ° С, и находятся в сверхпроводящем состоянии. Взаимодействие вимпов может сгенерировать достаточно тепла в гранулах, чтобы вызвать фазовый переход из сверхпроводящего в нормальное состояние. Этот фазовый переход гранулы может быть измерен чувствительной считывающей системой [6]

Список использованных источников

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

  2. http://en.wikipedia.nom.si/wiki/Scalar%E2%80%93tensor%E2%80%93vector_gravity

  3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Альтернативные_теории_гравитации

  4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тёмная_материя

  5. Emergent Gravity and the Dark Universe Erik Verlinde Delta-Institute for Theoretical Physics Institute of Physics,
    University of Amsterdam Science Park 904, 1090 GL Amsterdam The Netherlands, 2016

  6. Klaus Pretzl. In Search of the Dark Matter in the Universe, 2001