Що таке негативна маса?

Британський астрофізик Джеймі Фарнс запропонував космологічну модель, у якій від'ємна маса продукується з постійною швидкістю протягом усієї еволюції Всесвіту.

Ця модель суперечить загальноприйнятому погляду на природу матерії, проте вона добре пояснює більшість ефектів, які заведено списувати на темну матерію і темну енергію, - зокрема, розширення Всесвіту, утворення великомасштабної структури Всесвіту і галактичного гало, криві обертання галактик і спостережуваний спектр реліктового випромінювання. Стаття опублікована в Astronomy & Astrophysics.

Нині більшість космологів вважає, що еволюція Всесвіту описується моделлю ΛCDM. Згідно з цією моделлю, близько 70 відсотків маси Всесвіту припадає на темну енергію, 25 відсотків - на холодну темну матерію (тобто матерію, частинки якої повільно рухаються), і тільки решта 5 відсотків - на звичну для нас баріонну матерію.

Ці співвідношення вчені визначили за допомогою аналізу гармонік у картині реліктового випромінювання. На жаль, вони погано розуміють, що таке темна матерія і темна енергія.

Жоден з надточних експериментів з пошуку частинок темної матерії, передбачених цілою низкою теоретичних моделей (наприклад, SUSY), так і не отримав позитивного результату.

Наразі переріз розсіювання звичайних частинок і "темних" частинок з масою від 6 до 200 мегаелектронвольт обмежений величиною порядку 10-47 квадратних сантиметрів, що практично виключає частинки в цьому діапазоні мас і змушує фізиків розробляти альтернативні теорії.

Втім, темна матерія все-таки проявляє себе через гравітаційну взаємодію, модифікуючи криві обертання галактик і картину гравітаційного лінзування, а тому вчені не хочуть відмовлятися від цієї гіпотези.

З темною енергією все ще гірше. Єдине спостереження, яке безпосередньо підтверджує її існування незалежно від аналізу реліктового випромінювання - це прискорене розширення Всесвіту, виміряне за стандартними свічками (побічно темну енергію підтверджує співвідношення хімічних елементів у спостережуваному Всесвіті).

Фізики погано розуміють, що являє собою темна енергія на фундаментальному рівні. Звісно, якісно її можна описати за допомогою космологічної постійної (лямбда-члена) в рівнянні Ейнштейна, однак цей спосіб не дає нових знань і не дає змоги встановити, з чого складається темна енергія.

Ейнштейн пояснював такі добавки за допомогою частинок з від'ємною масою - у цьому підході рівняння руху стають симетричними, як рівняння електродинаміки, а лямбда-член виникає як постійна інтегрування, що не містить фізичного сенсу.

Матерія з від'ємною масою - це матерія, яка прискорюється в напрямку, протилежному дії сили. Частинка з від'ємною масою відштовхує частинки з позитивною та від'ємною масою, тоді як "позитивні" частинки притягують "негативні".

На жаль, у рамках моделі ΛCDM цей спосіб опису темної енергії свідомо приречений на провал. Річ у тім, що під час розширення Всесвіту густина різних компонент змінюється за різними законами: густина холодної матерії падає, а густина темної енергії залишається постійною. Тому ототожнити матерію з негативною масою і темну енергію не можна.

Проте, астрофізик Джеймі Фарнс (Jamie Farnes) стверджує, що йому вдалося пов'язати ідею Ейнштейна з даними спостережень. Для цього він об'єднав ідею від'ємної маси з іншою контрінтуїтивною ідеєю про безперервне й однорідне виробництво маси в обсязі Всесвіту.

Ця думка теж далеко не нова, вперше її запропонували ще в 40-х роках минулого століття. Теоретично, такі процеси справді можуть відбуватися на тлі сильного гравітаційного поля (наприклад, за рахунок ефекту Гокінга).

Розглядаючи подібні добавки до стандартного тензора енергії-імпульсу для позитивних мас, фізик виписав і розв'язав рівняння Фрідмана, а потім розрахував, за яким законом розширюється Всесвіт у цій моделі.

Внески звичної темної матерії і темної енергії вчений не враховував. У результаті виявилося, що відомі закони відтворюються, якщо від'ємна маса буде вироблятися з постійною швидкістю Г = -3H, де H - це постійна Габбла. У цьому разі густина від'ємної маси залишатиметься постійною під час розширення, і вона ефективно моделюватиме космологічну сталу.

При цьому швидкість розширення і час життя Всесвіту виходить такими ж, як у моделі ΛCDM. Потім астрофізик розрахував, як від'ємна маса проявлятиметься на дрібніших масштабах. Для цього він змоделював у рамках своєї моделі взаємодію великої кількості частинок позитивної і негативної маси.

Оскільки всі наявні астрофізичні пакети не враховують такі незвичайні модифікації, Фарнсу довелося розробляти свою власну програму. Щоб уникнути будь-яких наближень під час розрахунків, дослідник обчислював координати і швидкості кожної частинки в кожен момент часу - це давало змогу підвищити надійність прогнозів, хоча вимогливість програми до обчислювальних ресурсів зростала як квадрат числа частинок.

Зокрема, через це вченому довелося обмежитися моделюванням 50 тисяч частинок. Використовуючи розроблену програму, Фарнс побачив кілька ефектів, які традиційно приписують існування темної матерії.

По-перше, він змоделював еволюцію щільної групи частинок із позитивною масою, занурених у "море" з частинок негативної маси.

Така система має якісно описувати еволюцію галактик на пізніх стадіях розширення Всесвіту, коли "негативні" частинки значно переважають над "позитивними".

У цьому завданні вчений вибрав число "позитивних" частинок N+ = 5000, число негативних N- = 45000. Таким чином він отримав розподіл густини, який добре збігається з даними спостережень - густина частинок повільно зростає під час наближення до центру галактики і збігається з профілем Буркерта. Це вирішує проблему "гострого гало" (cuspy halo problem), яка виникає в моделі ΛCDM.

По-друге, за тих самих початкових даних учений розрахував криву обертання галактики і виявив, що вона теж добре збігається з даними спостережень. У той час як у моделі з суто "позитивними" частинками матерія на краю галактики рухається повільніше, ніж у центрі, у моделі з переважанням "негативних" частинок швидкість виходить приблизно постійною.

По-третє, Фарнс продемонстрував, що в його моделі природним шляхом виникає ниткоподібна великомасштабна структура Всесвіту: галактики об'єднуються в скупчення, скупчення - у надскупчення, а надскупчення - у ланцюжки і стіни.

Для цього він розрахував еволюцію системи, яка містить однакову кількість "позитивних" і "негативних" частинок. Через обмеження на доступну обчислювальну потужність учений поклав число обох видів частинок N+ = N- = 25000.

Як і в попередньому випадку, "негативні" частинки оточували частинки звичайної матерії і формували гало, проте цього разу досліднику вдалося розгледіти закономірності на більших масштабах, які нагадували структуру спостережуваного Всесвіту.

По-четверте, астрофізик припустив, що частинки позитивної та від'ємної маси об'єднуватимуться в диполі та прискорюватимуться до швидкості світла (оскільки частка, що утворилася, не має маси).

Раніше таку можливість уже розглядали, причому фізики вважали, що вона є серйозним аргументом проти теорій з від'ємною масою, оскільки ЗТВ забороняє масивним частинкам, з яких складається диполь, розганятися до швидкості світла.

Проте Фарнс підкреслює, що такий процес не порушує жодних фундаментальних законів, але повинен призводити до утворення космічних частинок з дуже високими енергіями, які частково реєструються на практиці. На жаль, йому не вдалося побачити цей ефект у симуляціях із 50000 частинок.

Проте вчений сподівається, що в масштабніших симуляціях із мільйоном частинок такі процеси вдасться помітити, а також допускає, що вони дадуть змогу підтвердити або спростувати нову теорію.

Нарешті, вчений перевірив, наскільки запропонована модифікація моделі ΛCDM спотворить ефекти, які реально спостерігають, - розширення Всесвіту, виміряне за стандартними свічками, реліктовий тло та спостереження за злиттями скупчень галактик.

У всіх цих випадках астрофізик виявив, що його гіпотеза не суперечить спостережуваним даним. Втім, доволі багато запитань усе ще залишаються відкритими - зокрема, не зрозуміло, як пов'язати таку гіпотезу зі Стандартною моделлю (чи може механізм Гіґґса генерувати від'ємні маси?), як експериментально зареєструвати частки з від'ємною масою та як пояснити суперечності між відштовхуванням "від'ємних" частинок і теорією гравітонів.

Проте вчений вважає, що всі ці проблеми можна вирішити в рамках нової моделі. Таким чином, модель із постійним виробництвом від'ємної маси пояснює не тільки спостережуване розширення Всесвіту, а й утворення його великомасштабної структури, гало темної матерії навколо галактик і криві обертання - більшість ефектів, які заведено списувати на темну енергію і темну матерію.

Як не дивно, така інтуїтивно неприродна гіпотеза, яка суперечить загальноприйнятому погляду на матерію, цілком узгоджується з даними спостережень. Ба більше, вона пропонує пояснити їх у простіший спосіб, залучаючи менше сутностей.

Як пише у висновку сам автор, "хоча ця пропозиція є відступницькою та єретичною, [у статті] було припущено, що негативні значення цих параметрів у принципі можуть пояснити дані космологічних спостережень, які завжди інтерпретувалися в рамках розумного припущення про позитивність маси".

"Іноді фізики висловлюють доволі незвичні ідеї, щоб пояснити спостережувані протиріччя між теорією та експериментом".

Наприклад, у листопаді минулого року американський фізик-теоретик Хуман Давудіазл (Hooman Davoudiasl) запропонував запровадити нову силу, що переноситься надлегкою скалярною частинкою і відштовхує темну матерію від Землі.

Це припущення добре пояснює невдачі всіх земних експериментів із пошуку темної матерії - якщо така сила справді існує, детектори в принципі не могли нічого зареєструвати. На жаль, перевірити це твердження за поточного рівня розвитку техніки неможливо.