Темная материя: неуловимая и спасительная
Мы публикуем фрагмент из книги известного астрофизика и популяризатора науки Бориса Штерна «Прорыв за край мира». 19 июня в столичной Библиотеке-читальне им.
Тургенева состоится лекция Бориса Евгеньевича по мотивам свеженаписанной книги, в которой собраны интервью с Андреем Линде, Владимиром Лукашем, Вячеславом Мухановым, Алексеем Старобинским. Научным редактором издания выступил академик РАН Валерий Рубаков.
Обложка книги Бориса Штерна «Прорыв за край мира»
24. Рябь Вселенной
До тех пор пока мы обрисовали лишь часть сценария происхождения Вселенной. Ту часть, которая растолковывает, откуда взялись начальные условия, давшие огромную однородную Вселенную с богатым содержимым.
Но имеется и второй вопрос, что сначала казался не столь фундаментальным: откуда взялись галактики, их скопления и более большая структура Вселенной, именуемая широкомасштабной. Данный вопрос поднялся во целый рост в 1970-х годах и также относился к начальным условиям при происхождении Вселенной: без неких первичных неоднородностей всё замечаемое великолепие не смогло бы показаться.
Как выглядит современная Вселенная? Она однородна в целом, на громадных масштабах, — скажем, на расстояниях 300 мегапарсек (миллиард световых лет) однородность соблюдается с хорошей точностью.
На меньших масштабах имеется галактики, скопления галактик и так называемая широкомасштабная структура, похожая на трехмерную сеть с перепонками, — что-то ячеистое неправильной формы. Самый большой масштаб этих неоднородностей — приблизительно 100 мегапарсек (300 млн световых лет).
Широкомасштабная структура была распознана на трехмерных картах распределения галактик в 1980-х годах.
Пространство в ячеек, между перепонками, именуется войдами — в том месте нет галактик. Толщина стенок — около одной десятой от их размера.
В том месте, где стены пересекаются, плотность еще выше, а в узлах находятся огромные скопления галактик.
Контраст плотности в данной структуре достаточно велик. В стенках плотность вещества многократно превосходят в войдах. В волокнах на пересечении стенок — еще на порядок выше.
А в узлах, где находятся огромные скопления галактик, плотность порядка на три выше средней. Откуда взялась эта сеть, скопления галактик, сами галактики?
Оказывается, если бы Вселенная изначально была полностью однородной, то эта структура не имела возможность появиться.
Каждая среда, заполняющая пространство, подвержена гравитационной неустойчивости, носящей имя Джинса. Каждые сгущения стремятся сжаться под действием собственного тяготения.
Сжатию может мешать давление среды, но в случае если неоднородность имеет большой размер (критический размер Джинса пропорционален скорости звука в среде), то сгущение начинает сжиматься — сперва по экспоненциальному закону, после этого при последовательности условий может перейти в режим свободного падения. Как раз неустойчивость Джинса стала причиной образованию звезд в галактиках.
Рис. 24.1. Широкомасштабная структура Вселенной согласно данным Слоановского цифрового обзора неба (Sloan digital sky survey).
Ко мне попал «срез» неба раствором 2,5°. Чёрные сектора — плоскость Галактики, где наблюдения затруднены из-за пыли. светло синий точками обозначены эллиптические галактики, красными — остальные.
Кое-какие массивные и плотные скопления галактик покупают вид радиально направленных черточек из-за громадного разброса скоростей — эти скорости добавляются к измеренному красному смещению.
При расширяющейся Вселенной неустойчивость трудится в противном случае. Возмущения растут медленнее: не по экспоненте, а линейно — контраст возмущений растет пропорционально масштабному фактору Вселенной.
В какой-то момент, в то время, когда сгущение делается гравитационно связанным, рост делается нелинейным, причем на стадию нелинейности раньше выходят неоднородности скопления галактик — и меньшего размера галактики. И вдобавок раньше — первые звезды, каковые были огромными.
Ячеистая структура из стен и войдов опоздала выйти на нелинейную стадию (и уже не выйдет). Как она появилась?
Тяжело допустить, что начальные возмущения плотности имели такую умную структуру. Ответ несложен: широкомасштабная структура есть сетью каустик.
Подобное явление возможно замечать на стене, куда падает свет, отраженный от поверхности воды с легкой хаотичной рябью. Либо в виде подобной световой картины на мелком дне. Мы видим подвижную сетку из броских полос.
Как раз сеть, а не плавные переливы яркости, подобные самой ряби. Не забывайте, что писал Николай Гумилёв про жирафа:
…И шкуру его украшает чудесный узор,
С которым равняться осмелится лишь луна,
Дробясь и качаясь на влаге широких озер.
Это в точности про сеть каустик в отражении от ряби, на которую вправду похожа раскраска жирафа. Математически сущность «крупномасштабной структуры» и волшебного узора одинаковая, лишь на воде фокус происходит с углом отражения либо преломления, а при широкомасштабной структуры — со расстояниями и скоростями — гравитационная неустойчивость в расширяющейся Вселенной трудится так, что материя в основном накапливается на ближайшей плоскости сгущения.
Еще в первой половине 70-ых годов XX века Я. Б. Зельдович аналитически продемонстрировал, что хорошая флуктуация плотности планирует в плоский блин (термин «блины» прижился на долгое время). Так, структура из пересекающихся блинов была предсказана еще до собственного открытия.
Потом методом моделирования с привлечением всё возрастающих вычислительных ресурсов ячеистая структура была воспроизведена во всем ее великолепии.
Рис. 24.2. Итог численного опыта «Миллениум», в котором моделировался рост первичных возмущений из-за гравитационной неустойчивости, впредь до их скоплений и образования галактик.
Любая точка на рисунке — галактика. броские пятна — громадные скопления галактик. Архив изображений Астрофизического университета Общества Макса Планка (MPA) www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
Но ни ячеистая структура, ни галактики, ни их скопления не имели возможность появиться, если бы ранняя Вселенная была совсем однородной. Узнаваемый закон роста возмущений диктует, что для появления замечаемой структуры контраст неоднородностей плотности в эру рекомбинации должен быть чуть больше одной тысячной: Вселенная с того времени расширилась в тысячу раз, и контраст должен был вырасти в тысячу раз, дабы стать порядка единицы и перейти в нелинейную стадию, образовав галактики.
Эра рекомбинации ответственна тут вследствие того что у нас имеется «фотография» Вселенной этого возраста (380 тыс. лет) — карта реликтового микроволнового излучения. Значит, мы должны видеть эту затравочную «рябь» на карте реликта!
Причем неоднородности температуры реликтового излучения наподобие должны быть того же порядка, что и контраст плотности, не смотря на то, что и не совершенно верно такими же: при переводе одного контраста в второй замешан последовательность нетривиальных эффектов.
В 1970–1980-х годах сложилась достаточно напряженная обстановка. Уже делались измерения реликтового излучения с хорошей чувствительностью.
Но оно смотрелось однородным кроме того тогда, в то время, когда уровень чувствительности в одну тысячную был достигнут на наземных радиотелескопах. Тогда самая чувствительной установкой был РАТАН-600 на Северном Кавказе (радиотелескоп Академии наук диаметром 600 м).
Первый итог, доложенный начальником научной программы радиотелескопа Юрием Парийским, привёл к недоверию. Получалось, что неоднородностей температуры реликтового излучения нет на уровне 10–4.
А как же тогда появились галактики!?
Кое-где раздавался ропот, что эти неверны. Но скоро итог об отсутствии неоднородностей с контрастом 10–4 был обоснован на вторых радиотелескопах.
А предел согласно данным РАТАН-600 был снижен до отметки 10–5 а также меньше. Это вынудило изрядно поволноваться космологов — вырисовывался самый настоящий кризис.
Земля уходила из-под ног: мы видим их скопления и галактики, совершенно верно знаем, как эволюционируют неоднородности, но не видим того, из чего они должны развиваться.
25. Чёрная материя, спасительная и неуловимая
Тут на сцену вышла чёрная материя. Приблизительно одновременно с этим стало ясно, что галактики значительно тяжелей, чем составляющие их звезды, пыль и газ.
В галактиках имеется что-то еще, потому, что они вращаются через чур скоро — требуется громадная масса, дабы своим тяготением уравновесить центробежную силу. Показался кроме того кандидат на роль чёрной материи — нейтрино.
В случае если у нейтрино имеется маленькая масса, то реликтовые нейтрино, подобные реликтовым фотонам, но уже медленные из-за собственной массы, смогут скапливаться в галактиках и делать их тяжелее. Именно к месту показался и экспериментальный итог, дававший массу нейтрино около 30 эВ — кроме того больше, чем требовалось.
Как выяснилось, итог данный был неверным, но идея о массивном нейтрино носилась в воздухе — она, по крайней мере, смягчала кризис.
В случае если у нейтрино имеется масса, к примеру 10 эВ, то во времена рекомбинации газ нейтрино составлял солидную часть массы Вселенной. И что принципиально важно, нейтрино были уже медленными еще задолго до рекомбинации.
Гравитационная неустойчивость на громадном масштабе неоднородностей начала трудиться для них раньше, чем для простого вещества (нейтрино весьма слабо взаимодействуют и распространяются во Вселенной вольно начиная с первой минуты по окончании Громадного взрыва). Исходя из этого к моменту рекомбинации они имели возможность создать громадные ямы гравитационного потенциала (в пересчете на современную Вселенную — 20 мегапарсек и больше), куда позже «стечет» простое вещество, образовав широкомасштабную структуру.
Посредством нейтрино получалось свести финиши с финишами, в случае если первичные неоднородности, запечатлевшиеся в реликтовом излучении, оставались на уровне одной десятитысячной. Но данный уровень был уже пройден — на нем не обнаружилось никакой анизотропии!
Выход мог быть только один: чёрная материя складывается из малоизвестных частиц, практически не взаимодействующих с простым веществом, вероятнее, значительно более тяжелых, чем нейтрино, и более тяжелых, чем протоны. Необходимо, дабы в первые 60 секунд Вселенной они
уже были медленными. Подобная чёрная материя стала называться «холодной». В этом случае контраста начальных неоднородностей чуть больше, чем 10–5, хватает, дабы к моменту рекомбинации чёрная материя успела «скомковаться» до контраста 10–3, нужного для образования галактик.
Простое вещество позже потянется за чёрной материей. Наряду с этим сеть каустик, о которой шла обращение выше, формируется как раз чёрной материей, и только позже простая барионная материя стягивается в эту сеть и подсвечивает ее появившимися звездами.
Так и появляется широкомасштабная структура.
25.1. Центральная часть массивного скопления галактик Abell 1689.
Голубые дуги — изображения галактик, находящихся за скоплением, растянутые и усиленные из-за результата гравитационного линзирования. Посредством аналогичных дуг измеряют массу скопления а также распределение массы по его площади.
Из этих оценок видно, что для объяснения огромной массы скопления не обойтись без чёрной материи, количественно превосходящей простую многократно.
Получается так: первичные неоднородности (их происхождение обсуждается ниже) имели амплитуду 5·10–5 (современная оценка) — как в чёрной, так и в простой материи. До эры рекомбинации простая материя осталась с тем же контрастом — в ней через чур большое радиационное давление и нет условий для развития гравитационной неустойчивости.
А в холодной чёрной материи условия имеется! Исходя из этого до эры рекомбинации она имела возможность расширить собственный контраст практически на два порядка.
Но не больше — на большее не достаточно времени.
Выходит, первичные неоднородности, соответственно, и неоднородности простого вещества к моменту рекомбинации и анизотропия реликтового излучения (каковые близки по величине) не смогут иметь контраст меньше, чем 10–5! Это противоречило бы факту формирования галактик.
Анизотропия 10–5 (которая традиционно обозначается как дисперсия температуры излучения ?T/T) была последним пределом, дальше которого теория не имела возможности отступать — за этим пределом начиналась мистика. А из заявлений команды РАТАН-600 следовало, что данный предел уже пройден.
Перед космологией как наукой замаячила жёсткая неприятность. Земля уходила из-под ног: мы видим их скопления и галактики, совершенно верно знаем, как эволюционируют неоднородности, но не видим того, из чего они должны развиваться.
Казалось, еще мало — и останется лишь развести руками: космология как наука не работает — никто ничего не осознаёт.
Неприятность рассосалась к концу 1980-х, началу 1990-х годов. Серия опытов в космосе («Реликт», COBE) продемонстрировала, что неоднородности реликтового излучения существуют, и их амплитуда именно порядка 10–5, чуть выше.
Наука выстояла!
Что касается данных РАТАН-600, то, наверное, некая путаница в определениях размеров. на данный момент видно, что РАТАН-600 не имел возможности достигнуть уровня 10–5 — этому мешали существующие фоны галактического происхождения и аппаратные шумы.
Однако, напряженность, позванная продолжительным ожиданием открытия анизотропии реликтового излучения (в которую внес свою лепту РАТАН-600), сыграла громадное значение, приведя теоретиков в тонус, вынудив их как направляться продумывать модель холодной чёрной материи. В частности, исходя из этого обнаружение анизотропии реликтового излучения было встречено во всеоружии.
В существовании чёрной материи не сомневается практически никто из ученых: она весьма нужна в астрономии и космологии, причем ставит всё на собственные места. Известно, сколько ее, приблизительно известно, какими особенностями она обязана владеть.
Но в современной физике частиц чёрная материя остается тайной. В стандартной модели элементарных частиц нет ничего похожего на чёрную материю.
Дело в том, что она требует новой физики. Имеется теории, имеющие статус догадок, где такие частицы существуют. В принципе, чёрная материя возможно отыскана, если она хоть как-то связана с простой.
Если она, пускай слабо, взаимодействует с простыми частицами, то ее возможно зарегистрировать в громадных детекторах, расположенных глубоко под почвой. В других опытах пробуют найти поток нейтрино из центра Почвы либо от Солнца — частицы чёрной материи смогут скапливаться в том месте под действием тяготения и аннигилировать между собой, рождая нейтрино.
До тех пор пока ничего не нашли.
25.2. Столкновение двух скоплений галактик. Наложены три изображения: оптическое (галактики), рентгеновское (розовый цвет — тёплый газ) и реконструкция распределения массы (светло синий цвет), сделанная посредством гравитационного линзирования.
Галактики с их звездами вольно прошли приятель через приятеля и с ними — облака чёрной материи, в которых заключена главная масса (два светло синий тучи). А газ скоплений, что по массе на порядок превосходит звезды галактик, неупруго провзаимодействовал — облака газа отстали от своих скоплений.
В случае если чёрная материя распадается на простые частицы, например, на гамма-кванты, то последние возможно найти в космосе. Уже было пара не подтвердившихся заявлений по этому поводу:
• Утверждалось, что вклад от распада чёрной материи видят в данных космического гамма-телескопа EGRET, но позже стало известно, что это итог неправильного учета особенностей детектора.
• Утверждалось, что космический спектрометр PAMELA регистрирует избыток позитронов, каковой разъясняется распадом чёрной материи, но оказалось, что позитроны хорошо разъясняются и простыми астрофизическими источниками.
• Утверждалось, что космический гамма-телескоп «Ферми» «заметил» особенность в спектре электронов громадных энергий. Но по окончании тщательной калибровки инструмента особенность «рассосалась».
• Наконец, в данных «Ферми» нашли пик в спектре гамма-квантов высоких энергий, летящих от центра отечественной Галактики. Это приписали аннигиляции частиц чёрной материи.
Уже вышли десятки, если не много работ на это тему. Создатель сравнительно не так давно (в январе 2013 года) собственноручно проверил данный пик по открытой информации — вместо того, дабы стать более значимым за последний год наблюдений, пик данный также фактически «обнулился».
Другими словами это была статистическая флуктуация.
Так, чёрная материя до тех пор пока старательно ускользает от нас.
Подробнее о книге см. на странице http://trv-science.ru/proryv/
Источник: polit.ru
Чёрная МАТЕРИЯ
