Главная Физика Ряд астрофизиков выдвигают «тяжелый свет» на роль “темной материи”

Ряд астрофизиков выдвигают «тяжелый свет» на роль “темной материи”

Какова на самом деле Вселенная? Ведь есть некоторые вещи, в существовании которых мы можем быть уверены на основании наших наблюдений. Но большинство явлений природы, как и физических процессов, происходящих вокруг нас, присутствуют исключительно в компьютере, в виде математических моделей. Причем как на основе тех же наблюдений, так и «в чистом виде», без теоретической связки с тем, что мы привыкли считать «реальностью», передает Альтернативная наука.

Мы знаем, что в далеком прошлом Вселенная была более горячей, плотной и однородной. Мы знаем, что звезды и галактики росли и эволюционировали по мере старения Вселенной.

Мы знаем, что гравитация сформировала крупномасштабную структуру Вселенной, и эта структура становилась все более сложной с течением времени.

Мы также знаем, сколько обычной материи в целом присутствует в пространстве-времени, и что ее недостаточно для объяснения всего набора гравитационных эффектов, которые мы наблюдаем.

Итак, если обычная материя не может быть всем, что есть, то что же еще может быть? Ведущая идея - темная материя, но мы не знаем точно, что это такое. Что, если это просто свет? Возможно ли такое? Именно это хочет віясняет астрофизик Энон Трэвис Сай, спрашивая:

"Я бы хотел прочитать статью о том, почему свет не является кандидатом на темную материю, особенно в свете (каламбурно) недавних статей о 50-процентном превышении окружающего света во Вселенной и известных феноменов видимой массы, на которую фотоны могут оказывать на пространство-время...".

Это вполне разумная идея. Почему?

Действительно, существует избыток окружающего света, который мы видим во Вселенной. В частности, в Солнечной системе, что зафиксировал космический аппарат New Horizons за пределами орбиты Плутона.

Является ли космос абсолютно темным?

Логически так и должно быть, но команда New Horizons обнаружила совсем другое. Избыток света был получен из ожидаемых источников: шум камеры, рассеянный солнечный свет, избыточный внеосевой свет звезд, кристаллы от тяги космического аппарата и другие инструментальные эффекты.

Но эти феномены можно смоделировать и оценить количественно. Тем не менее, когда они были вычислены, неопровержимый избыток остался.

Часть из них приходится на плоскость пояса Койпера. Часть «расположена» в богатой пылью плоскости Млечного Пути. Почему же так много света?

Астрофизиками рассматривается 6 теоретических возможностей:

  • звезды и галактики, которые мы можем идентифицировать;
  • слабые звезды и галактики, которые (пока) не могут быть идентифицированы;
  • рассеянный инфракрасными "циррусовыми" облаками свет;
  • рассеянный солнечный свет от любой оставшейся пыли на окраинах Солнечной системы;
  • дополнительный свет внутри Солнечной системы;
  • диффузный космический оптический фон, который не связан даже с (не) идентифицированными источниками.

По расчетам, света в настоящее время в два раза больше, чем ожидаемое количество и плотность звезд и галактик. То есть в материальной вселенной света больше, чем «должно быть» .

Объясняет ли избыток света дополнительную гравитацию, которая необходима во Вселенной? Также нет.

Астрофизики: во Вселенной в два раза больше света, чем должно быть

По двум причинам. Первая заключается в том, что общее количество энергии, заключенное в этом свете, ничтожно мало: всего несколько десятков нановатт на квадратный метр пространства. Это сумма всех форм энергии, которые вносят вклад в искривление пространства-времени и приводят к гравитационным эффектам, локализованным в пространстве.

Общая доля энергии, которая закодирована во всем свете во Вселенной, составляет около 0,01% от критической плотности энергии, в то время как общая доля темной материи должна составлять около 27% от критической плотности энергии. Даже если мы отклоняемся в 2 раза, или 10, или 100 раз, мы не приближаемся к учету темной материи.

Но другая причина, возможно, даже более убедительна: только вещи с ненулевой массой покоя могут вести себя как темная материя, а свет, насколько нам известно, безмассовый. На самом деле, если бы он не был безмассовым, то он не двигался бы со скоростью света.

В 2017 году произошло невероятное наблюдение. 17 августа 2017 года прибор Fermi Gamma-ray Burst Monitor обнаружил локализованный набор высокоэнергетических фотонов: классический признак гамма-всплеска.

Fermi Gamma-ray Burst Monitor

Гамма-всплески бывают двух видов: короткопериодические (менее 2 секунд), которые, как предполагается, вызваны слиянием нейтронных звезд, и длиннопериодические (более 2 секунд), которые, вроде как, возникают в результате коллапса ядра массивных, быстро вращающихся звезд.

Наблюдение короткопериодического гамма-всплеска - захватывающее зрелище, но оно не произведет революцию в мире науки.

По крайней мере, не сам по себе. Примечательно то, что всего несколькими секундами ранее детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo также наблюдали сигнал, который был локализован в небе точно в том же месте.

Сигнал наблюдался всего около 10 секунд, но имел все характеристики финальной спирали и конечного слияния двух массивных, компактных объектов. Сигнал резко оборвался в определенный момент времени, которое представляло собой слияние двух нейтронных звезд на расстоянии примерно 130 миллионов световых лет от нас.

Что такое гамма-всплески?

А затем, всего через 1,7 секунды, в детектор Ферми пришли гамма-лучи, причем все сразу.

Подумайте об этом. Произошло событие: два массивных, компактных, астрономических объекта слились вместе в определенный момент времени. Гравитационные волны распространились со скоростью света по Вселенной, преодолев расстояние примерно в 130 миллионов световых лет. Точно в тот же момент, когда происходит слияние, образуются высокоэнергетические фотоны, и они тоже путешествуют, преодолевая расстояние в 130 миллионов световых лет, пока не попадают на наш детектор.

Итог: два сигнала, испущенные почти в одно и то же время (с точностью до 2 секунд друг от друга), путешествовали по космосу 130 миллионов лет и прибыли в конечный пункт назначения с опозданием в 2 секунд друг от друга. Они практически совершили ультрамарафонский забег лоб в лоб друг против друга, двигаясь с неимоверной точностью и одинаковой скоростью.

Другими словами, если фотон имеет массу, то эта масса должна быть настолько мала, что мчащийся фотон и мчащаяся гравитационная волна не различаются между собой на протяжении 100 000 000 лет непрерывного движения.

На самом деле, существует множество доказательств, которые устанавливают верхние пределы на массу фотона, причем магнитогидродинамические эффекты солнечного ветра обеспечивают самое сильное ограничение на то, что его масса покоя должна быть менее 10-18 эВ/c2, или менее одной миллиардной-миллиардной-миллиардной части массы протона. Если фотоны действительно имеют массу покоя, то она должна быть абсолютно мизерной.

Чего достаточно, чтобы убить фотон как кандидата на роль темной материи.

Но если у него есть масса, то он будет вести себя как материя. И он будет гравитировать. Но если не сможет выбраться из галактики или скопления галактик, к которым гравитационно привязан, разве он не будет вести себя как темная материя?

Вполне. Если бы у фотона была масса, и если бы у него было так мало кинетической энергии, что он упал бы в галактику, то помог бы добавить к массе покоя этой структуры. Он бы гравитировал, но не излучал собственный свет. Галактика функционировала бы как темная материя.

И все же, это не объясняет наличие темной материи в нашей Вселенной. Даже если фотоны обладают массой, мы должны задать вопрос: "Каким количеством энергии на самом деле обладают фотоны во Вселенной?"

Ответ для самых длинноволновых и низкоэнергетических фотонов: гораздо больше энергии, чем максимально допустимая масса покоя, которую они могут иметь.

На самом деле, если вы хотите, чтобы фотоны двигались со скоростью, меньше, чем скорость света, они должны удлиниться так, чтобы их длина волны превышала 1 миллиард километров: немного больше, чем приблизительное расстояние от Солнца до Юпитера.

В этом и заключается вся проблема. Темная материя не просто падает в массивные скопления, которые уже присутствуют во Вселенной. Она приводит к первоначальному образованию массивных скоплений во Вселенной и является основной причиной формирования крупномасштабной структуры, которую мы видим.

Это означает, что темная материя должна двигаться нерелятивистски, или с медленными скоростями по сравнению со скоростью света, причем с очень ранних времен. Вот почему иногда можно услышать различение между горячей, теплой и холодной темной материей. Вселенной очень важно, насколько быстро ТМ двигалась во все времена по сравнению со скоростью света.

Иными словами, темная материя должна быть холодной, то есть она должна двигаться медленно по сравнению со скоростью света со времен, когда Вселенная была горячей и плотней.

На самом деле Вселенная наполнена одной из форм горячей темной материи: нейтрино, которые были созданы в огромном количестве вместе с фотонами на ранних стадиях горячего Большого взрыва. Нейтрино имеют массу покоя, и она в триллион раз больше, чем максимально возможная масса фотона.

 

Фотоны, даже самые низкоэнергетические, все равно двигались бы со скоростью света или около того. Даже если бы у них была масса, и даже если бы они действовали как темная материя, они не поясняют наличие темной материи во Вселенной. Их астрофизические эффекты не описывают наблюдения галактик, скоплений галактик, космической паутины и несовершенства, которые мы наблюдаем в космическом микроволновом фоне. Темная материя должна быть чем-то другим.

Единственный способ, которым массивные фотоны могли бы в принципе объяснить наличие темной материи во Вселенной, - это если бы они каким-то образом были созданы после Большого взрыва без кинетической энергии: родились бы холодными.

Хотя это звучит безумно, на самом деле существует кандидат в частицы темной материи, обладающая мизерной массой и имеющая механизм их образования в состоянии покоя: аксион.

Хотя фотон, как мы знаем, не подчиняется этим правилам, теоретики придумали очень умные модификации возможных правил. Либо модифицированный фотон плюс дополнительный механизм для их рождения при очень низких энергиях в очень большом количестве, либо родственный тип частиц, известный как темный фотон, потенциально может стать своего рода кандидатом в темную материю.

Однако свет - это электродинамика Максвелла и квантовая электродинамика Фейнмана. И он ведет себя как излучение, а не как материя любого типа.

Существует множество вариантов того, чем потенциально может быть темная материя. К сожалению, ни одна из частиц Стандартной модели, включая даже массивный фотон, не способна справиться с этой задачей.