7 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сколько темной материи в Солнечной системе

Солнечная система насквозь пронизана нитями темной материи

Новое исследование, опубликованное Gary Prézeau (Гэри Презу) из Лаборатории реактивного движения NASA (NASA/JPL) в журнале Astrophysical Journal, предполагает наличие длинных нитей из темной материи, пронизывающих всю Солнечную систему.

Темная материя — это невидимая, таинственная субстанция, которая составляет около 27% от всей материи и энергии во Вселенной. Обычная материя, составляющая все, что мы видим вокруг нас, это не более 5% от Вселенной. Остальное – темная энергия, странное явление, связанное с ускорением нашей расширяющейся Вселенной.

На данный момент еще не получены непосредственные образцы темной материи, хотя в попытках раскрыть ее тайны были проведены многие эксперименты в космосе и в недрах Земли. Опираясь на многочисленные наблюдения за действием гравитационного притяжения, ученые рассчитали, что темная материя существует, и более того измерили ее количество во Вселенной с точностью до одного процента. Основная теория гласит, что темная материя не излучает свет и не взаимодействует с его лучами.

Галактики, звезды которых формируются из обычных веществ, образованы за счет периодического изменения плотности темной материи. Гравитация действует как клей, прочно связывающий обычную и темную материи в структуры галактик.

Согласно расчетам, выполненным в 1990-е годы, и современному моделированию темная материя образует «мелкозернистые» потоки частиц, которые движутся с одинаковой скоростью. Величина таких потоков может намного превышать размеры самой Солнечной системы. Они стремятся в разных направлениях, бороздя просторы нашей галактической окрестности.

В статье Гэри Презу уподобляет формирование мелкозернистого потока темной материи смешиванию шоколада с ванильным мороженым. После нескольких перемешиваний мы получаем равномерно распределенную массу, но по-прежнему можем различать цвета шоколада и пломбира.

«Когда гравитация в период формирования галактик взаимодействует с холодной темной материи, все частицы, попавшие в поток, продолжают путешествие с той же скоростью,» — пишет Презу.

Но что происходит, когда один из этих потоков приближается к планете, такой как Земля? Гэри Презу использовал компьютерное моделирование, чтобы выяснить это.

Его анализ обнаружил, что, когда поток темной материи проходит через планеты, поток частиц разделяется на ультра-плотные нити, так называемые «волосы» темной материи. На самом деле, любая звездная система пронизана «волосками», торчащими из планет, и Земля не исключение.

Поток обычной материи не сможет пройти сквозь Землю и выйти с другой стороны, но для темной материи Земли не помеха. Согласно Презу, земное притяжение будет собирать поток частиц темной материи в тонкие частые волосы.

В «корнях» волосков, выходящих из планет, концентрация частиц темной материи максимальна, к «кончикам» волос плотность темного вещества снижается. Когда поток темной материи проходит через центр Земли, частицы сосредоточиваются в «корне» волоса, где их плотность примерно в миллиард раз превышает среднюю. Корень формируется примерно в 1 миллионе километров от Земли, что более чем в два раза превышает расстояние до Луны.

«Если бы мы могли точно определить местоположение корней этих волос, мы потенциально могли бы отправить туда зонд и получить подробные данные о темной материи,» – говорит Гэри Презу.

Согласно расчетам Презу, поток частиц, проходящий через ядро Юпитера, сформирует еще более плотные «корни»: почти в 1 триллион раз более плотные, чем концентрация входного потока темной материи.

«Темная материя ускользает от всех попыток прямого обнаружения на протяжении более 30 лет. Корни темной материи были бы привлекательным местом для изучения, учитывая их расчетную плотность,» – сказал Чарльз Лоуренс, старший научный сотрудник JPL по астрономии, физике и технологиям управления.

Еще один увлекательный результат компьютерного моделирования заключается в том, что изменение в плотности внутри нашей планеты, от внутреннего ядра до внешнего ядра, мантии и земной коры, находит свое отражение в «волосах», которые также имеют перегибы, характеризующие смену планетарных слоев.

Теоретически, ученые могли бы использовать результаты изучения волос холодной темной материи, чтобы определить число и размер слоев планетарных тел, и даже сделать вывод о глубине океанов на ледяных лунах. На данный момент необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить или опровергнуть эти выводы и раскрыть тайны природы темной материи.

Долгожданная материя. Физики узнали, что может отвечать за скрытую массу Вселенной

Ученые определили, где нужно искать частицы, которые могут быть темной материей.

Ученые определили, где нужно искать частицы, которые могут быть темной материей.

— что такое темная материя и где ее искать

— какие частицы потенциально могут быть темной материей

— почему некоторые ученые не верят в темную материю

О дной из главных загадок для современных физиков является темная материя. Именно это гипотетическое вещество может помочь ученым определить до сих пор неизвестные характеристики Вселенной. Похоже, что группа ученых из Германии и США значительно приблизилась к его открытию.

Читать еще:  Как можно увеличить кпд

В пределах Солнечной системы и наших соседних звезд наука чувствует себя более-менее комфортно. В таких масштабах мы можем с легкостью рассчитывать расстояния к другим планетам, скорость обращения разных объектов, температуру и даже относительно детально изучать их химический состав.

Но вот что касается внешних областей обозримой нам Вселенной — там творится какая-то чертовщина. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, чем дальше легкий объект расположен от тяжелого — тем меньше гравитационной силы на него действует и, соответственно, тем меньшей будет скорость его вращения.

Это правило отлично работает в пределах Солнечной системы: самая близкая планета к Солнцу — Меркурий — обращается вокруг него всего за 88 земных суток, а самая далекая — Нептун — почти за 165 лет.

Однако, с отдаленными от нас объектами, например, скоплениями галактик, все совершенно по-другому: астрономы обнаружили, что скорость обращения внешних объектов постоянно увеличивается, несмотря на то что расстояние между ними растет, ведь Вселенная, как известно, расширяется.

Несколько десятков лет назад физики списали этот просчет на темную материю — гипотетическое вещество, которое якобы формирует около четверти скрытой массы Вселенной и отвечает за высокую скорость обращения отдаленных объектов. По сей день мы лишь догадываемся, что может быть этой темной материей, поскольку такое вещество не участвует в электромагнитном взаимодействии и является практически невидимым для нас.

Недавно группа ученых из немецкого Института химической физики твёрдых тел общества Макса Планка и нескольких университетов США и Китая опубликовала исследование, которое может значительно приблизить нас к разгадке тайны темной материи.

Что узнали ученые?

Физики сразу поняли, что искать темную материю во Вселенной, пытаясь засечь ее гравитационное воздействие на другие объекты с помощью телескопов — бессмысленно. Вместо этого ученые обратились к физическим экспериментам с высокими энергиями и конденсированным состоянием, во время которых некоторые материалы могут проявлять необычные свойства, похожие на свойства темной материи.

В качестве конденсируемой материи ученые использовали так называемый полуметалл — химический элемент, который находится на грани металлической и неметаллической группы.

Идеальным подопытным веществом оказался вейлевский полуметалл, который состоит из тантала, селена и йода. Дело в том, что электроны в этом полуметалле ведут себя так, как будто у них нет массы: они не взаимодействуют друг с другом и разделены на два типа, — левые и правые. Это химическое свойство называется хиральность, и оно позволяет молекулам вейлевского полуметалла не совпадать в пространстве со своим зеркальным отражением.

Проще говоря, в таких молекулах есть два типа электронов — левые и правые ( как наши руки), и количество левых электронов всегда соответствует количеству правых электронов.

Охлаждая молекулы вейлевского полуметалла до минус 11 градусов Цельсия, ученые заставили необычные электроны взаимодействовать и конденсироваться в кристаллические версии самих себя. Оказалось, что частицы именно этих кристаллов проявляли те же свойства, которые должна проявлять гипотетическая темная материя — аксион.

Существование аксиона предположили около 40 лет назад, и, как истинная темная материя, аксион не взаимодействует с обычной, видимой нам материей. Ученые считали, что нахождение аксиона должно решить проблему симметрии зарядового сопряжения или сильную CP-проблему, — квантовое свойство, согласно которому законы физики действуют одинаково на конкретные частицы и их античастицы, даже если они разнесены в пространстве.

Популярные физические теории не предусматривают существование такой симметрии, и доказать ее может только открытие нового поля. Как раз аксион может обеспечить существование этого поля.

После получения кристаллов хиральных электронов вейлевского полуметалла физики заметили, что они состоят из квазичастиц — фононов, которые одновременно представляют из себя волны вибраций. Учитывая, что в мире квантовой механики волны также являются частицами, ученые определили, что существуют определенные фононы, которые имеют те же свойства, что и привычные нам электроны и фотоны.

В результате эксперимента ученые обнаружили такие фононы, которые реагируют на электрические и магнитные поля так же, как и предполагаемые аксионы. Это означает, что авторы исследования не только обнаружили, где можно искать аксионы, но и, возможно, открыли долгожданную темную материю, которая взаимодействует с видимым нам веществом.

Да, фонон лишь взаимодействует с аксионом, и ученые продолжат поиски темной материи в виде конкретных независимых частиц. Тем не менее, новое исследование в прямом и переносном смысле проливает свет на то, как можно обнаружить частицы без определенных свойств вроде массы и расширяет возможности поиска этих частиц для других ученых.

По словам лауреата Нобелевской премии Франка Вильчека, который предположил существование аксиона в 1977-м, эксперимент физиков из Германии, США и Китая подтвердил, что математические модели, которые описывают аксион, могут реализоваться в природе.

Не исключено, что в ближайшем будущем ученые обнаружат фундаментальные аксионы, которые и являются темной материей, формируя скрытую массу Вселенной.

Не аксионами едиными: претенденты на темную материю

Квазичастицы вроде фононов не являются единственными в своем роде, и ученые постоянно экспериментируют с конденсированием подобных веществ, предлагая все новые и новые способы поиска темной материи.

Читать еще:  Что можно подарить маме на 46 лет

К примеру, несколько месяцев назад физики из Иллинойского и Гамбургского университетов получили изображение фермионов Майораны — квазичастиц, которые также одновременно являются своими античастицами.

Ученые обнаружили майорановские фермионы с помощью сверхпроводника из рения, — этот материал не имеет электрического сопротивления при температурах около шести градусов по Кельвину ( -267 °C). К охлажденному сверхпроводнику добавили наночастицы из атомов магнитного железа, что и позволило засечь квазичастицы, которые итальянский физик Этторе Майорана описал почти сто лет назад,

Если ученые смогут поддерживать состояние фермионов Майораны в виде частиц и античастиц, — такое вещество можно будет использовать для хранения информации в квантовых компьютерах. Компьютерные микросхемы из кремния мы уже видели, а как вам процессор из потенциальной темной материи?

Более прозаичный ответ на вопрос о темной материи в начале 2019-го предложили ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии и Университета Йоханнеса Гутенберга в Германии.

Физики решили масштабировать электромагнитное напряжение Максвелла-Прока, которое описывает негативное давление фотонов в определенных условиях, на гравитационную космическую модель. Оказалось, что описанные электромагнитные напряжения могут создавать дополнительную центростремительную силу, и действовать как еще одна гравитация.

Как ни странно, предложенная модель подходила для описания скрытой массы межзвездных газов и кратковременных звезд, которые созданы из газа и после смерти превращаются в газ. Необычное негативное давление фотона может оказывать прямое воздействие на такие объекты и отвечать за их необъяснимое движение.

Противоречия в этой теории возникают только тогда, когда речь идет о «старых» звездах вроде нашего Солнца. Согласно разработанной фотонной модели темной материи, за 4,6 млрд лет своего существования Солнце должно было иметь эллиптическую орбиту, хотя, как известно, наша звезда проходит вокруг центра Млечного пути по круговой орбите.

«Учитывая определенную массу фотона, намного меньшую, чем текущий верхний предел, мы можем показать, что этой массы будет достаточно для создания дополнительных сил в галактике, которые могут объяснить кривые вращения», — писали авторы исследования.

Другие физики из Калифорнийского университета предположили, что помочь отыскать темную материю может магнитный монополь — квантовая частица, которая имеет только один магнитный заряд. Ученые считают, что гипотетический темный магнитный монополь будет взаимодействовать с темными фотонами и электронами точно так же, как взаимодействуют обычные фотоны и электроны с обычным монополем в квантовой теории.

Согласно эффекту Ааронова — Бома, электрон, находящийся возле магнитного поля, поддается влиянию этого поля, даже не проходя через него. В случае с магнитным монополем, электрон может проходить по обе стороны от него и, соответственно, проявлять свойства частицы и античастицы одновременно.

На данный момент для подтверждения этой теории нет необходимого оборудования, поскольку теоретическое изменение фазы электрона из-за вероятного магнитного монополя будет почти незаметным.

Противники темной материи

Очевидно, что сама по себе темная материя также является лишь одной из теорий, и есть те, кому эта теория не нравится.

В частности, представители университета Южной Дании опубликовали исследование, согласно которому дополнительный вес космических объектов формирует вовсе не темная материя, а иные законы гравитации, которые действуют в глобальных масштабах.

Их теория предусматривает, что вокруг каждого плотного космического объекта, по типу нашего Солнца, существует невидимая сфера, после которой гравитационное воздействие значительно усиливается, и легкие объекты взаимодействуют с тяжелыми сильнее, несмотря на то что их масса остается прежней.

Парадоксально, но согласно такой модели внутри этой сферы эйнштейновская теория относительности работает, и гравитационное взаимодействие ослабляется с возрастанием расстояния между объектами.

По подсчетам физиков, размер предполагаемой гравитационной сферы пропорционален массе центрального объекта. То есть, если в галактике эта сфера будет иметь радиус в несколько тысяч световых лет ( расстояние, на котором заметно действие темной материи), — соответствующая сфера вокруг нашего Солнца будет иметь радиус в 50 тыс. астрономических единиц.

Поскольку для действующих космических аппаратов это практически нереальные расстояния, мы пока не можем протестировать, меняется ли гравитационное воздействие Солнца, если мы оказываемся за пределами описанной датскими учеными сферы.

Еще раньше британский астрофизик Джейми Фарнс выдвинул гипотезу о существовании субстанции с отрицательной массой, выполняющей функции не только темной материи, но и темной энергии, которые вместе, опять-таки предположительно, занимают 95% Вселенной.

В отличие от темной материи, которая отвечает за скрытую массу космических объектов, темная энергия может объяснить быстрое расширение Вселенной, — вероятно, именно она буквально отталкивает галактики между собой.

Фарнс считает, что всего этого не существует, а темная материя и энергия объединены в некую « темную жидкость» с отрицательной массой. Это вещество якобы постоянно производится естественным образом со времен Большого взрыва. Предложенная темная жидкость должна появляться даже в пустом пространстве и влиять на всю окружающую материю.

Именно поэтому, как считает Джейми Фарнс, галактики отталкиваются друг от друга и создают дополнительное пространство для появления еще большего количества темной жидкости. В то же время физик не объясняет, почему звезды не отдаляются друг от друга по мере своего вращения, и, самое главное, почему вдруг в пустом пространстве должны появиться частицы с отрицательной массой.

Читать еще:  Зачем нужна любовь

Видимо, темная материя, кем бы или чем бы она не была, пока планирует оставаться в тени.

Сколько темной материи в Солнечной системе

Российские астрономы предлагают покончить с поисками частиц тёмной материи на земных детекторах: бесполезно искать чёрную кошку в чёрной дыре, если никакой кошки там нет.

У астрономов есть проблема. Когда они изучают крупномасштабные структуры Вселенной, получается, что для их удержания вместе недостаточно гравитации от видимой материи. Те же галактики вообще должны были бы — при наблюдаемых скоростях вращения их элементов вокруг центра — разлететься по сторонам.

Многочисленные экcперименты вроде CRESST ищут частицы тёмной материи на Земле. Но можно ли её найти там, где она существует в исчезающе малых количествах? (Здесь и ниже иллюстрации CRESST, N. P. Pitjev, E. V. Pitjeva.)

Итак, что-то держит всё это вместе, некая тёмная материя (ТМ), которая при этом слабо взаимодействует с нормальной — фактически только через гравитацию. Причём этой материи должно быть в несколько раз больше обычной.

Чтобы концы сходились с концами, ТМ в нашей Галактике должно быть примерно 80% от всей её массы, утверждают светлые головы.

Да только где именно всё это находится? Если везде, по всей Галактике, то каждого из нас пронизывает примерно 100 000 частиц тёмной материи в год. А если это так, то почему бы ей не влиять на орбиты планет Солнечной системы?

Очередные поиски такого влияния, предпринятые Николаем Питьевым из СПбГУ и Еленой Питьевой, представляющей Институт прикладной астрономии РАН, использовали самые точные измерения орбит планет Солнечной системы из когда-либо делавшихся. И что же? Компиляция данных 677 тыс. (!) измерений положений планет, осуществлённых с 1910 года до настоящего времени, включала как информацию оптических телескопов, так и данные космических зондов и радарные наблюдения за положениями планет, произведённые в нашей стране в 1961–1995 гг. Ряд этих измерений имел метровую точность для дистанций, равных, скажем, расстоянию до Сатурна.

С помощью этих цифр астрономы создали модель, описывающую поведение всей Солнечной системы и учитывающую влияние всех больших планет, Луны и 301 крупнейшего астероида, 21 крупнейшего транснептунового объекта и так далее. Затем был проведён анализ на наличие аномальных гравитационных эффектов — случаев, когда предсказания модели не сходятся с действительностью, что неизбежно имело бы место, если, конечно, ТМ действительно плотным супом наполняет Солнечную. Но никаких аномалий замечено не было. А если они и есть, то так слабы, что «тонут» в возможных неточностях исходных данных, однако в этом случае общее количество ТМ в нашей системе чрезвычайно, исчезающе мало.

Чтобы соответствовать вычислениям астрономов, до обиты Сатурна включительно её, ТМ, не более 1,7 • 10 −10 M⊙(масс Солнца), что примерно равно погрешности в определении массы основного пояса астероидов. В конкретных цифрах плотность ТМ в названном регионе меньше 1,1 • 10 –20 г/см³. Это не просто ничтожно мало, а настолько мало, что найти ТМ со статистической точки зрения попросту невозможно.

Похоже, это противоречие между острой нуждой в ТМ для объяснения ситуации на галактическом и межгалактических уровнях и полным отсутствием её видимых следов на уровне нашей планетарной системы, собирается стать важнейшим из острых вопросов современной астрономии, а в перспективе — и физики.

Что особенно интересно, поиски ТМ в Солнечной системе при помощи всяческих остроумных детекторов всё ещё ведутся, хотя, если представленные в работе расчёты аккуратны, эти изыскания — одна лишь пустая трата времени и средств, едва ли не столь же необоснованная, как и расходы на выплату заработной платы нынешнему министру образования России. Думается, после того как публикация получит соответствующий резонанс, масштаб финансирования этого сизифова труда несколько уменьшится.

Количество наблюдений, на которых основываются данные по орбитам планет Солнечной системы, столь велико (нижняя строка таблицы), что поставить их под сомнение очень трудно.

Но главное, конечно, в другом. Напомним, что разные группы неоднократно отмечали, что в сотнях и даже тысячах световых лет от Земли никаких следов ТМ нет. Им, впрочем, тут же горячо возражали, ссылаясь на возможные проблемы в измерении дистанции до звёзд и их массы, делающие точный учёт ТМ в межзвёздном масштабе занятием крайне сложным и чреватым ошибками.

Представленный метод хорош тем, что данные по орбитам планет Солнечной системы — едва ли не самые точные из имеющихся в астрономии. Теперь уже нельзя сказать, что технология сомнительна, а исходная информация нуждается в проверке. И всё это значит, что непосредственный, прямой поиск тёмной материи пребывает в глубоком и не подлежащем сомнению кризисе, из которого нужно искать выход.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Astronomy Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Technology Review.

Источники:

http://in-space.ru/solnechnaya-sistema-naskvoz-pronizana-nityami-temnoj-materii/
http://nv.ua/techno/popscience/temnaya-materiya-chto-eto-takoe-i-kakuyu-rol-igraet-vo-vselennoy-50058044.html
http://subscribe.ru/group/chelovek-priroda-vselennaya/4790632/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector