Темная материя: ситуация изменилась

Темнаяматерияситуацияизменилась

Всем привет. Некоторое время мы не говорили о темной материи. Вот почему сегодня я хочу рассказать вам, как мое мнение о темной материи изменилось за последние двадцать лет или около того. В частности, я хочу обсудить, состоит ли темная материя из частиц или, если нет, то чем еще она может быть. Давайте начнем.

Во-первых, темная материя – это гипотетический материал, который, по мнению астрофизиков, составляет восемьдесят процентов материи во Вселенной, или 24 процентов объединенной материи-энергии. Не следует путать темную материю с темной энергией. Это две совершенно разные вещи. Темная энергия – это то, что заставляет Вселенную расширяться быстрее, темная материя – это то, что заставляет галактики вращаться быстрее, хотя это не единственное, что делает темная материя, как мы увидим через мгновение.

Но что такое темная материя? 20 лет назад я думал, что темная материя, скорее всего, состоит из какой-то частицы, которую мы до сих пор не измеряли. Потому что по образованию я физик элементарных частиц. И если частица может объяснить наблюдение, зачем искать дальше? Кроме того, в то время было довольно много предложений по новым частицам, которые соответствовали бы данным, например, некоторые суперсимметричные частицы или аксионы. Итак, идея о том, что темная материя – это вещество, состоящее из частиц, казалась мне правдоподобной и нравилась очевидное объяснение.

Вот почему я всегда считал, что темная материя не особо интересная проблема. Рано или поздно они найдут частицу, дадут ей имя, кто-то получит Нобелевскую премию и все.

Но этого не произошло. Физики пытались измерить частицы темной материи с середины 1980. Но никто никогда его не видел. В данных было несколько аномалий, но все они исчезли при ближайшем рассмотрении. Вместо этого произошло то, что некоторые астрофизические наблюдения стало все труднее объяснять с помощью гипотезы частиц. Прежде чем я перейду к наблюдениям, которые не объясняет темная материя, я сначала кратко резюмирую то, что она объясняет, и каковы причины, по которым астрофизики думали, что она существует.

Исторически первое свидетельство существования темной материи было получено из скоплений галактик. Скопления галактик состоят из нескольких сотен или около тысячи галактик, которые удерживаются вместе за счет своего гравитационного притяжения. Они перемещаются друг вокруг друга, и скорость их движения зависит от общей массы скопления. Чем больше масса, тем быстрее движутся галактики. Оказывается, галактики в скоплениях галактик движутся слишком быстро, чтобы объяснить это массой, которую мы можем приписать видимой материи. Итак, Фриц Цвикки предположил в 1930, что в скоплениях галактик должно быть больше материи, просто мы не можем ее видеть. Он назвал это темной материей «dunkle materie».

То же самое и с галактиками. Скорость звезды, вращающейся вокруг центра галактики, зависит от общей массы на этой орбите. Но звезды во внешних частях галактик слишком быстро вращаются вокруг центра. Их скорость должна падать с расстоянием до центра галактики, но этого не происходит. Вместо этого скорость звезд становится примерно постоянной на большом расстоянии от центра Галактики. Это приводит к появлению так называемых «плоских кривых вращения». Опять же, вы можете объяснить это, сказав, что в галактиках есть темная материя.

Тогда есть гравитационное линзирование. Это галактики или скопления галактик, которые отклоняют свет, исходящий от объекта позади них. Этот объект позади них тогда кажется искаженным, и по величине искажения вы можете сделать вывод о массе линзы. Опять же, видимой материи недостаточно для объяснения наблюдений.

Еще есть колебания температуры в космическом микроволновом фоне. Эти колебания и есть то, что вы видите на этой карте неба. Все эти пятна здесь – отклонения от средней температуры, которая составляет около 2,7 Кельвина. Красные пятна немного теплее, синие пятна немного холоднее, чем в среднем. Астрофизики анализируют микроволновый фон, используя его спектр мощности, где вертикальная ось – это примерно количество пятен, а горизонтальная ось – их размер, с большими размерами слева и все более мелкими пятнами справа. Чтобы объяснить этот спектр мощности, вам снова нужна темная материя.

Наконец, есть крупномасштабное распределение галактик, скоплений галактик, межзвездного газа и так далее, как вы видите на изображении. из этого компьютерного моделирования. Сама по себе обычная материя просто не дает достаточно структуры в коротких масштабах, чтобы соответствовать наблюдениям, и, опять же, добавление темной материи решит проблему.

Итак, видите ли, темная материя была простой идеей, которая соответствовала множеству наблюдений, поэтому это было такое хорошее научное объяснение. Но так было 20 много лет назад. И с тех пор произошло то, что накопилось количество наблюдений, которые темная материя не может объяснить.

Например, темная материя частиц предсказывает максимальную плотность в ядрах малых галактик, тогда как наблюдения говорят, что распределение должно быть ровным. Темная материя также предсказывает слишком много маленьких галактик-спутников, это маленькие галактики, которые летают вокруг более крупного хозяина. Например, в Млечном Пути должно быть много сотен, но на самом деле их всего несколько десятков. Кроме того, эти маленькие галактики-спутники часто выровнены по плоскости. Темная материя не объясняет почему.

Из наблюдений мы также знаем, что масса галактики коррелирует с четвертой степенью скорости вращения самых удаленных звезд. Это называется барионным соотношением Талли Фишера, и это просто факт наблюдения. Темная материя этого не объясняет. Это аналогичная проблема с правилом Ренцо, которое гласит, что если вы посмотрите на кривую вращения галактики, то для каждой особенности кривой видимого излучения, такой как покачивание или выпуклость, также есть особенность кривой вращения. Опять же, это наблюдательный факт, но он не имеет абсолютно никакого смысла, если вы думаете, что большая часть вещества в галактиках – это темная материя. Темная материя должна устранить любую корреляцию между светимостью и кривыми вращения.

Затем происходят столкновения скоплений галактик с высокой скоростью, таких как скопление пули или скопление эль-гордо. Это трудно объяснить с помощью частиц темной материи, потому что темная материя создает трение, а это делает такие высокие относительные скорости невероятно маловероятными. Да, вы правильно поняли, скопление Пуля – ПРОБЛЕМА для темной материи, а не свидетельство этого.

И да, вы можете возиться с компьютерным моделированием темной материи и добавлять все больше и больше параметров, чтобы попытаться разобраться с этим. Но это уже не простое объяснение и не прогноз.

Итак, если это не темная материя, то что еще это могло быть? Альтернативное объяснение частицей темной материи – модифицированная гравитация. Идея модифицированной гравитации состоит в том, что мы не упускаем из виду источник гравитации, а ошибаемся в законе гравитации.

Модифицированная гравитация решает все загадки, о которых я вам только что рассказал. Нет трения, поэтому высокие относительные скорости не проблема. Он предсказал соотношение Талли-Фишера, он объясняет правило Ренцо и выравнивание спутников, он устраняет проблему с пиками плотности в ядрах галактик и решает проблему отсутствия спутников.

Но модифицированная гравитация не очень хорошо сочетается с космическим микроволновым фоном и ранней Вселенной, а также имеет некоторые проблемы с скоплениями галактик.

Так что это похоже на битву между конкурирующими гипотезами, и это определенно то, как это изображалось и как думает об этом большинство физиков.

Но вот в чем дело. Чисто с точки зрения данных, самое простое объяснение состоит в том, что в некоторых случаях темная материя работает лучше, а в других – лучше влияет на гравитацию. Многие астрофизики отвечают на это: ну, если у вас есть темная материя, зачем еще модифицировать гравитацию? Ответ: Потому что темной материи трудно объяснить многие наблюдения. Само по себе это уже не самое простое параметрическое объяснение.

Но подождите, вы можете сказать, вы не можете просто использовать темную материю для наблюдений a, b, c и модифицированную гравитацию для наблюдений x, y, z! На самом деле, вы вполне можете это сделать. Ничто в научном методе этого не запрещает.

Но что более важно, если вы посмотрите на математику, модифицированная гравитация и темная материя частиц на самом деле очень похожи. Темная материя добавляет новые частицы, а модифицированная гравитация добавляет новые поля. Но из-за квантовой механики поля – это частицы, а частицы – это поля, так что на самом деле это одно и то же. Разница в поведении этих полей или частиц. Это поведение, которое меняется от масштабов галактик к скоплениям, волокнам и ранней Вселенной. Итак, что нам нужно, так это своего рода фазовый переход, который объясняет, почему и при каких обстоятельствах поведение этих дополнительных полей или частиц изменяется, так что нам нужны два разных набора уравнений.

И если взглянуть на это с этой точки зрения, становится очевидно, почему мы так долго не добивались прогресса в вопросе, что такое темная материя. Просто над этим работают не те люди. Эту проблему нельзя решить с помощью физики элементарных частиц и общей теории относительности. Это проблема физики конденсированного состояния. Это физика газов, жидкостей, твердых тел и так далее.

Итак, я пришел к выводу, что различие между темной материей и модифицированной гравитацией является ложной дихотомией. Ответ не то и другое. Вопрос только в том, как их совместить.

Leave a comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *

fourteen − 4 =