Неуловимая темная материя блуждает как пьяный матрос
Как будто недостаточно в мире странностей, связанных с тем, что космос заполнен невидимым и неуловимым веществом под названием "темная материя"! Теперь новая теория добавляет причудливости этой картине: подобное вещество, оказывается, блуждало по ранней Вселенной "подобно пьяному матросу".
Идея узнать что-то новое о неуловимом темном веществе (которое в гораздо большей степени распространено в космосе, чем вещество "нормальное"), промоделировав его возможное поведение с помощью компьютера, оказалась весьма плодотворной, несмотря на одно весьма беспокоящее физиков обстоятельство: никто не знает доподлино, что именно из себя представляет эта скрытая от взоров астрономов материя. Результат работы программы - некая компьютерная мультипликация, показывающая, как тысячи относительно маленьких и невидимых "галактик" из темного вещества развивались параллельно с эволюцией "обычной" Вселенной, и указывающая, где именно они концентрируются. По всему выходит, что невидимки, кроме прочих галактик, постоянно "крутятся" и около нашего собственного Млечного пути.
Чун Пэйма (Chung-Pei Ma), женщина-астроном, родившаяся на Тайване и работающая в Калифорнийском университете в Беркли, обнародовала свою новую теорию на прошлой неделе на встрече Американского физического общества (American Physical Society). Она предполагает, что частицы темной материи ведут себя подобно частицам пыли, хаотично блуждающим под воздействием соударений с молекулами воды в микроскопическом процессе, известном как броуновское движение.
Чун Пэйма описывает броуновское движение как подобие непредсказуемого пути пьяного моряка. Она и ее коллега из Массачусетского технологического института (MIT) Эд Берчинджер (Ed Bertschinger) с удивлением обнаружили, что основной принцип броуновского движения вполне может применяться и к галактической шкале, а полученные результаты соответствуют теоретическим выкладкам, согласно которым предсказывается существование "темных" спутниковых галактик.
Чун Пэйма и Берчинджер проследили, как в компьютерной модели вели себя миллионы частиц гипотетической темной материи за миллиарды прошедших лет. Многие из частиц срастались в единые группы массой в миллионы и в миллиарды наших солнц.
"Мы поняли, что движение темного вещества может быть описано статистически уравнением, подобным используемым для броуновского движения, - говорит Чун Пэйма. - Уравнение очень отличается от закона Ньютона для гравитации, используемого в компьютерной модели. Это не означает, что закон Ньютона неприменим, просто новое уравнение, которое мы нашли, дает нам новый язык для того, чтобы лучше описывать скопления темного вещества."
До недавнего времени предполагалось, что темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Чун Пэйма и ее коллеги показывают, что это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики. Одна подобная гипотеза уже была выдвинута в 2001 году группой исследователей во главе с Нейлом Трентамом (Neil Trentham) из Кембриджского университета. Трентам заявил, что на каждую "нормальную", заполненную звездами галактику, может приходиться до 100 скрытых "галактик", которые содержат в основном материал, который мы не можем увидеть.
Галактики-спутники из темного вещества - если они существуют - не могут быть непосредственно обнаружены обычными телескопами, потому что они не содержат достаточно нормального вещества, чтобы обеспечить звездным топливом рождение обычных звезд. Впрочем, астрономы все-таки должны быть способны доказать присутствие некоторых из них. Их тяжесть должна изгибать световые лучи, путешествующие к Земле от еще более удаленных объектов, искажая и, возможно, увеличивая их видимые размеры. Это так называемый гравитационный эффект линзирования (lensing), он уже используется для изучения далеких целей, расположенных за видимыми галактиками или скоплениями галактик. Обнаружение и каталогизация этих "темных галактик" помогли бы исследователям понять, из чего такие "ошметки" сделаны (оценив их число, массы, распределение в пространстве и снова прибегнув к моделированию).
Ученые подозревают, что большая часть темного вещества все же представляет из себя крошечные частицы, которые вот-вот обнаружат. Двух основных кандидатов называют аксионами (axions) и нейтралино (neutralinos). Безотносительно к тому, что они из себя представляют, такие частицы должны взаимодействовать гравитационно с "правильным" веществом, потому что иначе трудно объяснить те высокие скорости, с которыми звезды двигаются вокруг галактических центров. Однако, частицы темного вещества, вероятно, не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Они не излучают и не отражают свет, это и объясняет, почему они до сих пор не были замечены. "Это представляет собой какую-то разновидность экзотической частицы, что-то пока недоступное нам," - говорит Чун Пэйма.
Источники:
Dark Matter Exposed: Animation Offers Clues to Cosmic Mystery - Space.com
Dark matter doesn't move in mysterious ways - Nature
Seeing in the dark - Economist
Ссылки:
Leading physicist awarded US prize - The Taipei Times
Темная сторона Вселенной - "Знание - сила"
Природа невидимой (скрытой) массы (материи) - "Научная Сеть"
Справка
Броуновское движение
Броуновское движение было обнаружено в 1827 году ботаником Робертом Брауном (Robert Brown), который наблюдал за беспорядочными перемещениями зернышка пыльцы под микроскопом как бы без всяких видимых причин. Эйнштейн позже объяснил этот процесс хаотичными столкновениями с молекулами окружающей среды. Аналогичный процесс десятилетия назад лег в основу концепции, объясняющей поведение звезд в плотных скоплениях.
Справка
Темное вещество
Темное вещество (dark matter) составляет приблизительно 23% массового-энергетического "бюджета" Вселенной. Нормальное вещество, материал звезд, планет и людей, вносит только 4%. (Остальную часть Вселенной составляет еще более таинственная вещь, названная темной энергией - dark energy)
Некоторая малая часть темного вещества была уже идентифицирована и больше не является тайной. Трудноуловимые частицы нейтрино, про которые когда-то думали, что они имеют массу покоя, равную нулю, подобно фотонам, теперь признаны имеющими некий ненулевой вес и составляют часть этого самого "бюджета". Холодные мертвые звезды, найденные недавно в большом количестве, также вносят свой скромный вклад в этот общий зачет.
Статьи по теме
Неуловимая темная материя блуждает как пьяный матрос
До недавнего времени предполагалось, что таинственное темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики.
Найдены "голые" галактики, лишенные "шубы" из темной материи
Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми "темными" ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишает темного вещества.
Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Мерцающие квазары и кокон вокруг Солнечной системы
Эффект мерцания квазаров происходит благодаря тонкому слою межзвездного материала, расположенному в 70 световых годах от Земли. В этот своеобразный пузырь или кокон помещена не только вся Солнечная система, но и несколько ближайших звезд. Возможно, это давний остаток некой вспыхнувшей в этом районе сверхновой. Этот гигантский космический "пузырь" поляризует радиоволны, идущие от квазара к Земле.
Ученые продолжают собирать "семейный альбом" фотографий Вселенной: юность (5 млрд лет назад)
Ученые, работающие с орбитальной рентгеновской обсерваторией "Чандра", получили снимок юной Вселенной, которая моложе своего нынешнего состояния приблизительно на 5 млрд лет. На картинке запечатлена область из созвездия Большой Медведицы, известная под названием "Северо-западная дыра Локмана".
Обнародован "портрет" юной Вселенной, полученный зондом WMAP
Новые данные от зонда WMAP обеспечили космологов информацией, позволяющей нарисовать реальную картину раннего этапа в развитии Вселенной. Кроме того, определен возраст нашего мира с беспрецедентной точностью. Он составляет 13,7 млрд лет. Самое большое удивление ученые испытали, когда при анализе данных выяснилось, что первая генерация звезд появилась спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва.
Вселенная во власти "темной энергии": новое доказательство
Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Ранняя Вселенная: впервые удалось определить размеры реликтовых галактик
Астрономы Израиля и США нашли первое прямое подтверждение тому, что по крайней мере некоторые галактики размером с Млечный путь уже успели сформироваться, когда Вселенной от роду было меньше миллиарда лет. На иллюстрации - смоделированная структура ранней Вселенной. Первые галактики размером с Млечный путь выглядят как яркие пятна в вершинах этих своеобразных галактических нитей.
Загадка солнечных нейтрино решена
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.