velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Черное дело

Хотя ученые до сего времени точно не знают, что представляет собой черная материя, в науке существует несколько гипотез.





Ави Лёуб, доктор астрофизики в Гарварде: «Едва ли 1-ые галактики появились бы без черной материи. Им были нужны эмбрионы, области с завышенной плотностью, стягивающие на себя окружающее вещество при помощи собственного тяготения. Если б еще не успевшая остыть Вселенная в возрасте нескольких сотен тыщ лет состояла только из обыденного вещества и излучения, то жаркий фотонный газ стремительно разрушил бы подобные флуктуации. А вот черная материя не способна «спариваться» с фотонами, потому она и смогла их законсервировать. Более того, без ее спасительного тяготения наша Вселенная расширялась бы настолько стремительно, что в ней вообщем не смогли бы появиться какие-либо упорядоченные структуры».


Некие ученые считают, что черная материя – это уже известные галлактические тела, такие как прохладные останки белоснежных карликов, газовые планеты-гиганты либо неактивные нейтронные звезды, не испускающие электрического излучения (другими словами не являющиеся пульсарами). Другие считают носителями сокрытой массы простые частички, может быть, еще не открытые. Таким макаром, подразумевается, что черная материя состоит или из «обычного» барионного вещества (барионы – трехкварковые частички, к числу которых относятся протоны и нейтроны), или из объектов небарионной природы.


Вобщем, существует еще одна догадка, согласно которой возможными кандидатами на звание черной материи числятся темные дыры, сгустки гравитационного поля.


Гравитационные линзы


Черная материя не может состоять только из галлактического газа. Жаркий ионизированный газ в скоплениях галактик ярко сияет в рентгеновском спектре, что позволяет оценить его массу. Обычно она не превосходит 15–17% динамической массы скопления, а для галактических гало этот показатель еще меньше. В космосе имеется также нейтральный водород, который выдает свое присутствие поглощением и излучением 21-см радиоволн. Да и его очень не достаточно.


Еще не так издавна астрологи подразумевали, что черная материя галактической свиты концентрируется в плотных несветящихся сгустках. Им выдумали заглавие Massive Compact Halo Objects – мощные малогабаритные объекты гало, сокращенно MACHO. MACHO хоть какой природы своим тяготением должны искривлять световые волны, проходящие в их округи. Если MACHO находится точно меж звездой и нашей планеткой, то он «стягивает» на себя свет звезды и тем наращивает ее видимый сияние. Этот эффект именуется гравитационным микролинзированием. Возможность определять конфигурации яркости в первый раз пришла в голову норвежскому астрологу Сюру Рефсдалу еще в 1960-х. Сначала 1980-х годов аспирантка Кембриджского института Мария Петру разглядела этот эффект в собственной диссертации, но не опубликовала ее. В конечном итоге официально пальма первенства досталась принстонскому астрофизику Богдану Пачинскому, который в 1986 году предложил использовать гравитационное микролинзирование для поиска черной материи и верно растолковал, как это сделать.


«Мачо», «Эрос» и другие


В 1992 году поисками малогабаритных носителей черной материи занялись участники интернационального проекта MACHO, которые воспользовались для наблюдений 127-сантиметровым зеркальным телескопом постройки 1868 года, установленным в австралийской обсерватории Маунт Стромло. Этот инструмент был обустроен панорамным фотоэлектрическим сенсором, позволяющим сразу регистрировать конфигурации яркости около миллиона звезд. Конкурирующая франко-чилийская группа EROS (Experience pour la Recherche d’Objets Sombres) прибегла к помощи 50-см широкоугольного телескопа Южной Европейской обсерватории в чилийских Андах. Обе группы наблюдали за звездами 2-ух примыкающих галактик, Магеллановых туч. А в рамках проекта OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) южноамериканские и польские астрологи принялись находить черную материю и в нашей галактике.


В общей трудности три группы зарегистрировали сотки случаев микролинзирования. Наблюдения в рамках программки MACHO проводились до 1999 года, EROS – до 2003-го, а OGLE продолжает их и доныне. Не исключено, что некие случаи можно разъяснить отклонением световых лучей телами с массой около половины солнечной. Но таких тел сильно мало. Результаты проекта MACHO проявили, что суммарная масса малогабаритных объектов не превосходит 20% массы черной материи галактических гало, а EROS вообщем дает им не больше 7%.


Но это не значит, что попытка поиска черной материи средством гравитационных линз стопроцентно провалилась. В январе 2007 года интернациональная группа COSMOS (Cosmic Evolution Survey) опубликовала собственного рода томограмму черной материи для сектора небосклона размером в 1,6 квадратных градуса, размещенного поблизости направления на северный полюс нашей Галактики. Гравитационное линзирование (сейчас без приставки «микро») сотен тыщ дальних галактик позволило найти, как в этом пространственном конусе распределялась черная материя прямо до эры, когда возраст Вселенной составлял только около 6 млрд лет. Вышла умопомрачительно прекрасная трехмерная карта (два пространственных измерения и одно временное). Черная материя стает в виде облака, которое 7–8 миллиардов. годов назад было практически гомогенным, но позже фрагментировалось на отдельные «комки». На временных срезах карты отлично видно, что галактики предпочитают группироваться повдоль нитеобразных уплотнений черной материи и в особенности в зонах скрещения таких нитей, где ее притяжение в особенности велико. В целом эти выводы согласуются с моделью прохладной черной материи, но более определенных указаний на ее природу они не содержат.


Барионная модель


Чисто астрономические разъяснения природы черной материи в наилучшем случае могут претендовать на описание только малой ее части. Согласно современной космологии все 1078 нуклонов существовали уже через 100 секунд после Огромного взрыва, но их суммарная масса составляет всего 4% от общей массы Вселенной (данная величина стопроцентно соответствует астрономическим и астрофизическим наблюдениям). По последним данным, приобретенным в 2006 году, еще 22% полной массы Вселенной приходятся на небарионную материю, а другие 74% – на вакуумное поле, которое ускоряет расширение космоса (девять годов назад южноамериканский физик-теоретик Майкл Тернер по аналогии с черной материей именовал его черной энергией).


Это совсем не значит, что проекты типа MACHO не имеют смысла. В конце концов, источники электрического излучения (в главном звезды, жаркий газ и пульсары) не исчерпывают всей барионной материи, хоть и представляют ее доминирующую часть (несколько лет вспять было подтверждено, что ионизированного газа в космосе еще больше, чем считали ранее). Поэтому, исходя из убеждений астрологов, погоня за барионной компонентой черной материи полностью оправдана, хотя в целом и не очень перспективна. «Гравитационное микролинзирование показало, что малогабаритные объекты с массой от земной до 100 солнечных в наилучшем случае обеспечивают не больше 20% от массы галактических гало, – гласит доктор астрофизики Гарвардского института Ави Лёуб. – Такими объектами, к примеру, могут быть карие лилипуты – мерклые протозвезды с массой менее десятой толики массы Солнца, излучающие в красноватой части видимого диапазона и в ИК-диапазоне. Маленькое число их найдено в диске нашей Галактики. Если они есть и в гало, то никак не в изобилии».


Произнесенное относится и к остывшим белоснежным лилипутам, которые тянут на одну вторую солнечной массы. Но эти тела образуются после взрыва новых звезд, выбрасывающих в место азот и углерод. Загрязнений подходящего уровня в гало не найдено. Естественно, можно представить, что есть механизмы чистки гало от подобного мусора, но науке они неопознаны. Потому белоснежные лилипуты тоже не наилучшие кандидаты. Это справедливо и для нейтронных звезд, масса которых составляет около полутора солнечных.


Некие астрологи считают, что часть черной материи гало могут составлять малогабаритные облака прохладного водорода, размеры которых не превосходят 10-х толикой светового года (по другому бы их увидели радиоастрономы). Такие облака могут существовать, но пока их никто не следил.


Правила отбора


Астрологи пока не отыскали носителей сокрытой массы, но у физиков уже припасено много гипотетичных частиц – кандидатов на эту роль. Каковы требования к таким частичкам? 1-ое и основное – если они и распадаются, то очень изредка. Соотношение черной и обыкновенной материи сохраняется чуть не с момента Огромного взрыва. Все это время полное количество барионов оставалось постоянным либо практически постоянным. Правда, теоретики допускают, что протоны могут распасться, но, если это даже и так, время их жизни неизмеримо превосходит возраст Вселенной. Как следует, частички черной материи должны тоже владеть если и не абсолютной, то очень высочайшей стабильностью.


2-ое условие – ненулевая собственная масса (масса покоя). Безмассовые частички, такие как фотоны, движутся со скоростью света. Потому они заранее не могут накапливаться в гравитационных ловушках и сформировывать облака, которые нашли астрологи. По этой же причине частички черной материи не могут передвигаться с околосветовыми скоростями, при этом ни в наше время, ни в молодости мироздания (по другому откуда бы взялись 1-ые звезды и галактики?). Выходит, что черная материя должна состоять из довольно «холодных» частиц, не способных к очень резвому перемещению.


Пункт 3-ий – эти частички должны быть электронейтральными. Заряженные частички поглощают и источают фотоны, и потому их просто найти. Строго говоря, так же могут вести себя и нейтральные корпускулы. К примеру, частичка может включать положительную и отрицательную «половинки», тогда и при нулевом заряде она будет владеть дипольным моментом. О схожих тонкостях речи нет, но отсутствие заряда – условие обязательное.


Кроме электрического взаимодействия, у природы еще есть три – сильное, слабенькое и гравитационное. Черная материя, очевидно, ощущает гравитацию. Нет ничего неосуществимого в том, что ее частички также участвуют в слабеньком и сильном взаимодействиях. Правда, возможность их суровых столкновений с нуклонами и электронами только мала, по другому бы галлактическая черная материя показала свое присутствие куда активней. Для слабеньких взаимодействий такое условие производится без заморочек, а по отношению к сильным его нужно обеспечить некоторыми особенными качествами частиц.


Нейтрино


Годятся ли на роль носителей черной материи уже известные частички? Единственный вероятный кандидат – нейтрино, слабовзаимодействующие лептоны, которые рождались в обилии скоро после Огромного взрыва. На данный момент в среднем на каждый барион приходится млрд нейтрино. Не так издавна их считали безмассовыми, но опыты проявили, что нейтрино практически наверняка имеют массу покоя, хоть и очень небольшую.


Но при детализированном рассмотрении нейтрино отпадают. Во-1-х, они очень «горячи» (их скорость приближается к световой), а во-2-х, легковесны. Масса протона равна 938 МэВ, а масса нейтрино, по всей вероятности, не превосходит 0,3 эВ. Несложно вычислить, что суммарная масса всех нейтрино как минимум втрое меньше массы барионной материи, а ведь нам нужно, чтоб она превосходила последнюю более чем в 5 раз.


Правда, до сего времени речь шла только о тех нейтрино, которые возникают в реакциях бета-распада ядер. Теоретики не исключают, что скоро после Огромного взрыва могли родиться и куда более томные, а поэтому относительно «холодные» нейтрино, не принимающие роли даже в слабеньких взаимодействиях (предложивший эти частички Бруно Понтекорво прозвал их «стерильными»). Легчайшие из стерильных нейтрино с массой от 1-го до нескольких кэВ способны прожить очень длительно и почему полностью годятся на роль носителей сокрытой массы. Но стерильное нейтрино время от времени может спонтанно распасться на обыденное легкое нейтрино и рентгеновский квант, и это свечение можно найти при помощи рентгеновского телескопа.


Не так давно было высказано предположение, что стерильные нейтрино содействовали формированию первых звезд не только лишь своим тяготением. «Для рождения звезды водородное скопление должно стянуться под действием гравитации. При всем этом газ разогревается, кинетическая энергия частиц вырастает. Для предстоящего сжатия газу нужно дать сверхизбыточную термическую энергию через испущенное излучение. Атомарный водород делает это без охоты, а вот молекулы испускают термические фотоны совсем не сложно, и для остывания облака необходимо часть атомов H перевести в молекулы H2. Возможность слияния 2-ух атомов водорода в молекулу просто при соударении невелика, но, если какой-то из них ионизирован, образование молекул идет намного резвее. Конкретно к таковой ионизации и могли привести рентгеновские кванты, возникающие при распаде стерильных нейтрино, – объяснил «Популярной механике» один из создателей этой догадки Александр Кусенко, доктор физики и астрономии Калифорнийского института в Лос-Анджелесе. – У модели стерильных нейтрино еще есть парочка преимуществ. С помощью их можно полностью естественно разъяснить, почему обыденные нейтрино имеют ненулевую массу, что и само по себе очень принципиально. Не считая того, можно показать, что при взрывах сверхновых выброс стерильных нейтрино (в отличие от обыденных) не симметричен относительно магнитного поля. Потому они присваивают звезде ускорение благодаря эффекту отдачи. Этим можно разъяснить очень высочайшие скорости пульсаров, которые появляются на свет в итоге схожих взрывов. Если хоть один процент нейтрино, порожденных взрывом сверхновой, составляли бы стерильные частички, этого хватило бы, чтобы разогнать нейтронную звезду до тыщи км за секунду, что часто и наблюдается».


Аксионы и нейтралино


Все же стерильное нейтрино не самый пользующийся популярностью кандидат на роль носителя сокрытой массы. Более суровым претендентом считают гипотетичную частичку, которая, вероятнее всего, «весит» не больше 0,0001 электронвольта. В 1978 году ее выдумали Стивен Вайнберг и Фрэнк Вилчек (потом нобелевские лауреаты), при этом без всякой связи с черной материей. Они желали разъяснить, почему сильное взаимодействие практически всегда сохраняет амплитуды процессов, которые отличаются друг от друга одновременным воззванием пространственных координат и подменой частиц на античастицы (так именуемая CP-симметрия), хотя этого делать и не должно. Вайнберг и Вилчек предложили прекрасное решение (основанное на более ранешней работе Роберто Печчеи и Элен Квинн), которое потребовало введения новейшей частички с целым спином. Вилчек отдал ей имя «аксион», позаимствовав заглавие пользующегося популярностью тогда стирального порошка – так как придуманный им бозон «отстирал» теорию сильного взаимодействия от этой трудности. Скоро доктор Сеульского института Джин Ким, новосибирский физик Ариэль Житницкий, доктор института Джонса Хопкинса Майкл Дайн и другие физики сделали вывод, что аксионы возможно окажутся носителями сокрытой массы.


Если аксионы есть, то они, как и первичные нейтрино, появились в процессе Огромного взрыва, но в намного большем количестве. В итоге взаимодействия с одним из существовавших тогда полей они утратили кинетическую энергию и с того времени остаются фактически недвижными. Эти первичные аксионы должны представлять собой газ из очень прохладных частиц, заполняющий галлактическое место. Они также могут рождаться в недрах звезд в итоге столкновения термических фотонов с электронами и протонами. Как следует, источником аксионов возможно окажется и наше Солнце.


Другой многообещающий кандидат – нейтралино. Это гипотетичные томные нейтральные частички (спектр масс от 10 ГэВ до нескольких ТэВ), принимающие роль в слабеньком содействии. Нейтралино появляются в контексте теории суперсимметрии, которая просит, чтоб каждый фермион обладал партнером-бозоном, а каждый бозон – партнером-фермионом. Эти «суперпартнеры», обычно, не могут быть носителями черной материи, но теория разрешает выступить в этом качестве неким их композициям, которые ведут себя как единые частички – нейтралино. «Кстати, это не единственная возможность, – добавляет доктор Лёуб. – Самая легкая из частиц-суперпартнеров должна быть размеренной, и поэтому ее тоже можно считать хорошим претендентом на роль носителя черной материи. Сложность в том, что суперпартнеры обыденных частиц еще не открыты, хоть и не исключено, что получится получить подтверждения их существования, когда в ЦЕРНе заработает Большой адронный коллайдер».









Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments