Содержание
Темную материю предложили поискать на поверхности Земли
Физики смоделировали поведение гипотетических частиц темной материи при их захвате тяготением звезд и планет. Оказалось, в результате этого вблизи поверхности небесных тел могут накапливаться заметные концентрации этих частиц — в препринте на arXiv.org авторы заявляют о 10 триллионах частиц в кубическом сантиметре у поверхности Земли при сечении взаимодействия с нуклонами порядка 10-29—10-28 квадратных сантиметров.
Несмотря на множество косвенных свидетельств существования темной материи — гипотетической формы вещества, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии, зарегистрировать частицы такой материи на детекторах до сих пор не удалось. Кроме того, нет окончательного понимания, как именно устроены эти частицы: разные модели предсказывают разные массы, сечения взаимодействия с обычным веществом и распределения концентрации в пространстве (для регистрации темной материи важно знать не только параметры одной частицы, но и понимать, где они скапливаются в заметном количестве).
Ребекка Лин (Rebecca Leane) из Стэндфордского университета и Юрий Смирнов (Juri Smirnov) из Ливерпульского университета предложили свою модель, которая прогнозирует распределение концентрации темной материи вблизи поверхности звезд и планет. Авторы проанализировали рассеяние и отражение частиц темной материи на частицах Стандартной модели (то есть обычном веществе). В результате многократных рассеяний частицы темной материи постепенно теряют скорость, и если это происходит вблизи небесного тела — звезды или планеты — может случиться так, что скорость в конце концов окажется меньше второй космической, и тогда частицу захватит тяготение небесного тела.
Считая, что потерей и аннигиляцией захваченных частиц можно пренебречь, физики определяли полное число частиц темной материи в объеме небесного тела как произведение среднего темпа их захвата (суммарного за любое число рассеяний для каждой частицы) на время существования этого небесного тела.
Затем, чтобы вычислить концентрацию темной материи у поверхности, авторы аналитически моделировали диффузию и теплопроводность захваченных частиц темной материи в объеме заполненного обычным веществом сферического небесного тела.
При этом ученые полагали, что концентрация темной материи гораздо меньше концентрации обычного вещества, а само обычное вещество находится в гидростатическом равновесии и приближенно может быть описано уравнением состояния идеального газа. По словам исследователей, выбор последнего обусловлен тем, что более точные уравнения состояния усложнили бы вычисления, однако лишь увеличили бы прогнозируемую концентрацию частиц темной материи у поверхности — значит, для нижней оценки достаточно более простого уравнения состояния.
Пользуясь аналитическими результатами, авторы проделали вычисления концентрации частиц темной материи у поверхности для Земли, Юпитера, Солнца и коричневого карлика массой в 50 Юпитеров и возрастом 10 миллиардов лет. Для простоты все объекты за исключением Земли физики полагали состоящими полностью из водорода. Поверхностным слоем ученые считали слой толщиной в один километр для нашей планеты (соответствует типичной глубине подземных экспериментов) и область на расстоянии между 99,9 и 100 процентами радиуса от центра небесного тела для остальных объектов.
Оказалось, что при оптимистичных значениях сечения взаимодействия темной материи с нуклонами (порядка 10—29—10—28 квадратных сантиметров) у поверхности всех рассмотренных небесных тел будут образовываться заметные концентрации темных частиц: в частности, для Земли концентрация оценивается в 1013 частиц в кубическом сантиметре, для Солнца — на порядок больше. По словам авторов, это мотивирует новые поиски таких поверхностных частиц в будущих экспериментах.
Кроме того, исследователи отмечают, что в дальнейшем результаты модели могут помочь предсказать, как захваченная небесным телом темная материя влияет на содержание в нем элементов обычного вещества — это могло бы разрешить проблему солнечного состава (расхождение в теоретическом прогнозе и наблюдательных данных для этого состава на уровне значимости в шесть стандартных отклонений).
Ранее мы рассказывали о том, как параметры темной материи ограничили с помощью наблюдений Юпитера и о том, как самовзаимодействием темной материи объяснили ускоренное расширение Вселенной.
Николай Мартыненко
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Зачем мы ищем темную материю и можно ли ее найти?
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Подпись к фото,
По выкладкам ученых, Вселенная на четверть состоит из темной материи, только вот увидеть ее пока никому не удалось
Темная материя. По мнению некоторых ученых, наша Вселенная на четверть состоит из этого загадочного нечто. Только вот беда — обнаружить ее до сих пор никому не удавалось.
Три масштабных эксперимента ни к чему не привели. Большой адронный коллайдер подал было лучик надежды, но в итоге и он не смог найти следов этой материи. Астрономические наблюдения тоже ничего не дали.
В научной среде мнения разделились: одни предлагают строить более мощные и чувствительные детекторы, другие задаются вопросом, стоит ли вообще искать то, чего может и не быть в природе.
В июле прошлого года эксперимент LUX (Large Underground Xenon experiment), проводившийся в Сэндфордском подземном исследовательском центре, расположенном в глубине заброшенной золотой шахты в американском штате Южная Дакота, не дал положительных результатов.
Однако руководивший экспериментом доктор Аарон Маналэйсэй не теряет оптимизма.
- Получена первая карта распределения темной материи
- Космолог Муханов: Хокинг был первым среди тех, кто был после нас
«Пока что мы ничего не обнаружили, но мы использовали наши невероятно чувствительные приборы, чтобы узнать о том, чем не обладает темная материя, — утверждает доктор Маналэйсэй. — Возможно, темная материя все же существует, но в виде таких частиц, которые мы не можем засечь».
Эксперимент LUX был не единственным в своем роде. Обнаружить темную материю пытались и в Китае в ходе эксперимента PandaX, и в центральной Италии, в глубине горного массива Гран-Сассо, где проводился эксперимент XENON100, и даже на Южном полюсе, где находится нейтринная обсерватория IceCube.
И ни один из детекторов не смог обнаружить неуловимую материю.
Ученые признают, что еще не готовы поставить точку в этом вопросе, однако то, что темная материя не была обнаружена там, где предсказывалось, что в Большом адронном коллайдере не удалось столкнуть друг с другом даже двух частичек этой материи и что астрономам не удалось увидеть ни одного примера аннигиляции темной материи, привело к некоторой растерянности в космологических кругах.
Все это побудило ведущих физиков всего мира — как практиков, так и теоретиков — собраться на встречу в Даремском университете в Великобритании, чтобы понять, что же пошло не так.
Автор фото, AP
Подпись к фото,
Большому адронному коллайдеру не удалось столкнуть даже двух частиц этой загадочной материи
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
«В ходе экспериментов мы ожидали получить определенные сигналы, — признался один из организаторов конференции, доктор Дэвид Федано. — И мы немного удивлены тем, что такие сигналы обнаружены не были. Но конечно же, это не означает конец поиска. Это означает, что нам следует пересмотреть наши предсказания или разработать новую модель темной материи».
Однако пересмотр всей нынешней модели Вселенной, которая до сих пор прекрасно работала, — слишком радикальный шаг, и решиться на него готов не каждый, во всяком случае не директор Института вычислительной космологии Даремского университета, профессор Карлос Френк.
«Мы еще не видели темную материю, но она должна существовать, — уверен профессор Френк. — У нас есть косвенные свидетельства ее существования — косвенные, но убедительные. Так что мы не только знаем, что она существует, но знаем даже, сколько ее, причем с большой точностью до процента.
Она должна существовать, иначе рухнет все здание науки».
Но что если этому зданию и в самом деле суждено рухнуть?
Физик-теоретик Эрик Верлинде предлагает радикально пересмотреть закон всемирного тяготения Ньютона и теорию относительности Эйнштейна и принять новую теорию тяготения, в которой нет места темной материи.
Суть этой теории в том, что тяготение не является основополагающей природной силой, а лишь возникает как следствие квантовой активности точно так же, как температура является следствием взаимодействия субатомных частиц.
Эрик Верлинде пришел к выводу, что формулами Ньютона и Эйнштейна можно по-прежнему пользоваться, не принимая при этом во внимание темную материю, частицы которой до сих пор не обнаружены.
«Если моя теория верна, — говорит физик, — а я не сомневаюсь, что это так, то мы никогда и не найдем темную материю, потому что в ней нет нужды, и все, что происходит во Вселенной — это последствия сил тяготения, а не действие этой материи».
Теория Эрика Верлинде недавно получила дополнительное визуальное подтверждение, когда группа исследователей из Лейденского университета в Нидерландах изучала искривление пространства под воздействием отдаленных галактик.
Впрочем, экстраординарные теории требуют и экстраординарного подтверждения. Поэтому профессор Карлос Френк и не спешит отказываться от устоявшейся модели Вселенной с темной материей.
«Свидетельства ее существования столь убедительны, а альтернативы столь призрачны, что я готов рискнуть и обидеть тех немногих из моих коллег, которые считают иначе, и предположить, что темная материя все же существует, просто ее трудно обнаружить», — настаивает профессор Френк.
Автор фото, SPL
Подпись к фото,
Теорию относительности Альберта Эйнштейна еще рано списывать со счетов?
Ставит ли это страстное утверждение точку в споре?
Профессор физики из Университетского колледжа Лондона Джон Баттерворт с такой постановкой вопроса не согласен.
«Я — экспериментатор, — говорит профессор Баттерворт. — В мою задачу входит сбор данных, так что мы рано или поздно узнаем, существует темная материя или нет. Карлос прав в том, что если Закон тяготения и, соответственно, Теория относительности, работают, то для объяснения движения звезд и галактик необходимо присутствие темной материи. Все дело здесь в слове «если».
По словам Баттерворта, Верлинде в своей теории попытался преобразовать понимание природы тяготения, вслед за ним пошли другие, это очень интересная и многообещающая теория, но в ней слишком много пробелов, чтобы отметать возможность существования темной материи.
Но если отбросить ученые споры, так ли это важно на самом деле — знать, существует ли эта призрачная субстанция?
Да, утверждает Баттерворт, ведь понять Вселенную, в которой мы живем, — это очень важная интеллектуальная задача человечества.
Кроме того, каждое новое открытие как правило ведет к тому, что человек использует его на практике себе на пользу.
Темная материя | New Scientist
Невидимый источник гравитации, преобладающий над галактиками
Темная материя
Что невидимо, но больше, чем все, что мы можем видеть? Звучит как начало плохой шутки, и для физиков это именно то, что нужно.
Все наши космологические наблюдения, кажется, предполагают, что обычная материя, которую мы можем видеть — та, из которой состоят вы, я, планета, на которой мы живем, солнце, вокруг которого вращается наша планета, и галактика, в которой мы все существуем, — намного перевешивает таинственную материю. мы не можем. Тем не менее, несмотря на все усилия исследователей на протяжении десятилетий, направленные на то, чтобы выяснить природу этой «темной материи» — найти прямой или косвенный ключ к тому, из чего она состоит, или даже создать ее в лаборатории — мы по-прежнему в тупике.
История темной материи начинается в 1930-х годах, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики, расположенные ближе к краю скопления галактик Волосы, вращаются вокруг центра скопления быстрее, чем должны были бы, учитывая количество видимой материи там.
был здесь. Но эта концепция действительно начала набирать обороты благодаря работе американского астронома Веры Рубин, начиная с 1970-х годов, которая показала последовательный эффект вращения спиральных галактик слишком быстро для имеющегося количества видимой материи. Без дополнительных притягивающих веществ, удерживающих их вместе, эти галактики должны просто разлететься. Наши последние расчеты показывают, что темная материя составляет более 80 процентов всей материи.
Наряду с темной энергией — еще одним, еще более загадочным веществом, которое, по-видимому, обладает своего рода «антигравитационным» эффектом, вызывающим ускорение расширения Вселенной, — темная материя представляет собой большую проблему для физиков. Вместе эти два неизвестных означают, что более 95 % Вселенной состоит из вещества, не классифицированного в стандартной модели физики элементарных частиц, нашей лучшей теоретической картины материальной реальности.
Реклама
Не то чтобы нам не хватало предложений относительно того, что могло бы объяснить темную материю.
Возможно, наиболее распространенным является то, что он состоит из совершенно нового класса частиц, известных как слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимпсы, невидимое море которых пронизывает галактики. Но если эти частицы существуют, мы должны быть в состоянии создать их, столкнув другие частицы, например, на Большом адронном коллайдере недалеко от Женевы, Швейцария. Вы также ожидаете, что эти частицы будут течь через Землю, но специальные детекторы темной материи, обычно зарытые глубоко под землей, чтобы отфильтровывать влияние других космических частиц, еще не обнаружили их.
Другая возможность заключается в том, что темная материя — это не вимпы, а МАЧО. Эти массивные астрофизические компактные гало-объекты представляют собой большие тела, состоящие из обычной материи, соединенные неожиданным образом, что означает, что они не излучают свет. Очень слабые звезды, такие как коричневые карлики, черные дыры и нейтронные звезды, были названы виновниками, но маловероятно, что их достаточно, чтобы полностью объяснить явление темной материи.
Последнее и спорное предположение состоит в том, что темной материи вообще не существует, и мы просто ошиблись в своих теориях гравитации. Но общая теория относительности Эйнштейна, управляющая работой гравитации, настолько хороша, что мало кто из физиков готов допустить такую возможность. Ричард Уэбб
Темная материя | КОСМОС
Большая часть массы-энергии, около 95%, во Вселенной «темная». Под темнотой мы подразумеваем, что она не излучает никаких электромагнитных излучений. Существование темной материи косвенно подтверждается ее гравитационным эффектом. Наблюдения за движением звезд и газа в галактиках, радиальными скоростями скоплений галактик, свойствами горячего газа скоплений и гравитационным линзированием далеких фоновых галактик скоплениями галактик переднего плана — все это предполагает существование большого количества Темной Материи. Например, наблюдаемые лучевые скорости галактик в скоплениях позволяют предположить, что массы скоплений, основанные на динамике, в 10 или более раз превышают те, которые выводятся путем суммирования содержания наблюдаемых масс скоплений (звезд, газа, пыли).
Темная Материя составляет 23% от общей плотности энергии-массы Вселенной. Доминирующий вклад вносит темная энергия, а небольшое количество приходится на атомы или барионную материю.
Схематическое изображение полной плотности энергии-массы во Вселенной.
Авторы и права: Swinburne
Сравнение структуры галактического скопления и сверхскопления с вычислительным моделированием N тел также указывает на необходимость наличия какой-то темной материи. Темная материя также необходима для того, чтобы гравитация усиливала наблюдаемые небольшие флуктуации космического микроволнового фона и формировала крупномасштабную структуру, которую мы наблюдаем сегодня.
Кандидаты в темную материю могут быть либо барионными, либо небарионными, либо их смесью. Небарионные формы обычно подразделяются на два класса – горячая темная материя (ГТМ) и холодная темная материя (ХТМ). Для HDM требуется частица с массой, близкой к нулю (яркий пример — нейтрино; другие — аксионы или суперсимметричные частицы).
Специальная теория относительности требует, чтобы почти безмассовые частицы двигались со скоростями, очень близкими к c, скорости света. Однако HDM не полностью объясняет крупномасштабную структуру галактик, наблюдаемую во Вселенной. Если взять в качестве примера нейтрино, то их в высшей степени релятивистские скорости будут иметь тенденцию сглаживать флуктуации плотности материи по мере их распространения во Вселенной. Они могли бы хорошо формировать очень большие структуры, такие как сверхскопления, но не более мелкие галактики.
CDM требует, чтобы объекты были достаточно массивными, чтобы они двигались с субрелятивистскими скоростями. Сравнение наблюдаемой крупномасштабной структуры и моделирования N тел свидетельствует в пользу того, что CDM является основным, если не полным, компонентом Темной Материи. Основным кандидатом CDM являются WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы). Поиск этих частиц включает в себя попытки прямого обнаружения чувствительными детекторами и производства ускорителями частиц.
Несколько команд пытаются обнаружить вимпов с помощью сверхчувствительных глубоко подземных детекторов. Столкновение между вимпом и атомом заставит вимп изменить направление и замедлиться, в то время как атом отскочит. Эту отдачу можно обнаружить несколькими способами. В полупроводниках, некоторых жидкостях и газах можно измерить ионизационный заряд, высвобождаемый отталкивающимся атомом.
Была проделана большая работа, чтобы определить, есть ли какая-либо барионная материя, которая не была учтена во Вселенной. MACHO (массивные компактные гало-объекты) — это кандидаты в темную материю, состоящие из конденсированных объектов, таких как черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики, очень слабые звезды или несветящиеся объекты, такие как планеты. Их поиск состоит в использовании гравитационного микролинзирования, чтобы увидеть влияние этих объектов в нашей Галактике на фоновые звезды. Есть много продолжающихся программ наблюдения, выполняющих эту работу. Проект MACHO в обсерватории горы Стромло наблюдал звездные поля в нашей Галактике и в направлении Большого Магелланова Облака.
Таким образом, несмотря на то, что они обнаружили события микролинзирования, количество событий было недостаточным, чтобы предположить, что MACHO-популяция темных объектов составляет от 0,1 до 0,9.M ⊙ может добавить более 20% к известному расхождению масс в гало Галактики. Если в темной материи и есть барионный компонент, то он кажется довольно небольшим. Этот результат поддерживается другими программами микролинзирования, такими как OGLE и EROS.
Продукты распада вимпов могут быть обнаружены Большим адронным коллайдером (БАК). Ожидается, что БАК не обнаружит вимпы, но сможет обнаружить продукт(ы) их распада, называемые супервимпами. Интересно, что астрономия, а не физика элементарных частиц, может решить свою собственную «проблему масс». Частицы темной материи в некоторых моделях могут аннигилировать и производить множество вторичных частиц. Два вимпа, каждый с массой от 50 до 200 ГэВ, могут аннигилировать и произвести два фотона гамма-излучения, энергия каждого из которых равна массе одного вимпа.