ПредпочестьЕсть целая совокупность достаточно убедительных астрофизических наблюдений и плюс достаточно убедительных теоретических соображений, по которым темная материя должна существовать. Об этом в беседе с корреспондентом NEWS.am Tech заявила старший научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ Мария Савина.
Почему мы уверены, что темная материя существует?
Что касается экспериментальных аргументов в пользу темной материи, то там очень много разных фактов, в частности, кривые вращения звезд в галактиках.
Кинематика объектов, скорость вращения относительно общих центров происходит так, как будто бы есть еще какая-то гравитирующая масса.
Мы можем регистрировать телескопами видимую инфракрасную часть спектров звезд, можно восстанавливать по светимости массу, и этой массы не хватает.
Судя по тому, как вращаются звезды, судя по тому, как они движутся в галактиках, судя по тому, как галактики в скоплениях движутся друг относительно друга, совершенно очевидно, что есть еще что-то, что удерживает звезды вместе.
Если бы этого не было, то структуры просто развалились бы. Это очень серьезный аргумент. Есть еще серьезные аргументы.
Мы понимаем, что целая совокупность источников - это не разные звезды, это одна и та же звезда, свет от которого размылся гравитационной линзой.
Мы считаем, что темные материя – это какая-то вот новая материя, которая взаимодействует, прежде всего, гравитационно и которая обуславливает все эти эффекты. Кроме очень убедительных астрофизических аргументов, есть еще разные теоретические соображении, в силу которых темная материя обязательно должна была быть в ранней Вселенной, чтобы формировать ранние флуктуации плотности, на которые потом налипает обычная материя. И таким образом формируется то, что мы называем крупномасштабной структурой Вселенной. Эта схема теоретическая не работает без темной материи.
Возможно ли, что мы неправильно понимаем гравитацию и то, как она работает за пределами нашей планеты?
Вопрос закономерный. Либо модифицировать гравитацию, либо вводить новые силы, новые взаимодействия и новые частицы соответственно.
Это связано с тем, что у нас есть стандартная модель, описывающая известные нам четыре силы и элементарные частицы и в стандартной модели нет подходящего кандидата на частицу темной материи. Когда вы ничего не знаете кроме того, что какая-то вещь должна быть, то вы хотите получить как можно больше аргументов в пользу того, что это должно быть так.
Во-вторых, вы хотите предложить какое-то решение, которое будет удовлетворять наибольшему возможному количеству пунктов из вашего списка желаний.
Вы формируете список желаний к вашей темной материи, и она должна быть такая-то. Дальше вы просто прикладываете ваши модели и ставите галочки напротив каждого пункта и проверяете, какому количеству пунктов соответствует ваша модель. Модифицированные гравитации - менее фаворитный теоретический сценарий.
Наилучшим образом всем нашим ожиданиям от темной материи отвечает гипотеза о том, что темная материя состоит из неизвестных нам частиц, которые новым взаимодействием связаны между собой и с нашим сектором видимой материи.
Темная материя состоит из неких частиц, о которых мы можем даже не догадываться?
Каждый раз, когда мы говорим о каких-то новых явлениях, прежде всего мы оперируем теми концепциями, которые мы понимаем.
Мы можем сформулировать закономерности и взаимодействия в мире элементарных частиц, и мы считаем, что в рамках этих концепций можем соответственно что-то описать.
Кроме элементарных частиц также могут быть экзотические объекты, например, реликтовые черные дыры, которые во множестве рождались в очень ранней Вселенной.
Темная материя должна быть стабильной, должна жить, по крайней мере, 14 млрд. лет, поэтому не каждая черная дыра удовлетворяет этим критериям, но есть определенный диапазон значений масс для таких объектов, которые в принципе это позволяет. То есть, да, такая идея тоже есть.
Предполагается, что там, где мы считаем, что есть темная материя, есть черные дыры или темная материя состоит из чего-то похожего на черные дыры?
Эта концепция достаточно проста, если считать, что мы понимаем процесс образования множественных черных дыр.
Мы считаем, что большие скопления темной материи равномерно окружают галактику. Поэтому, если мы считаем, что это черные дыры, то это предполагает, что темная материя состоит из обычного вещества, если считать черные дыры обычным веществом. В таком случае, нужно предполагать, что они в достаточных количествах равномерно рассеяны по нашим галактикам. Вокруг любой галактики достаточно равномерно по периферии распределено не какое-то штучное количество черных дыр, а множество черных дыр.
Остается открытым вопрос, каким образом такие черные дыры могли во множестве родиться и равномерно распределиться в тех пространственных конфигурациях, которые нас бы устроили. Эта концепция до сих пор жива.
Не исключено, что темная материя могла существовать еще до Большого взрыва.
Темная материя существует в каком-то стабильном виде или же она может эволюционировать?
Нет никаких оснований считать, что сектор темной материи устроен просто. Мы тоже можем считать, что в темном секторе есть какие-то взаимодействия, которые будут обуславливать трансформации темного сектора. Мы можем предполагать такие экзотические вещи, как какое-нибудь темное сильное взаимодействие, относительно которого будут формироваться темные адроны, которые могут темные ядра формировать.
Как бы ни шли эти трансформации, как бы ни был сложно устроен темный сектор, темная материя должна быть нейтральной, и она должна быть стабильной на космологических временах. Обязательно должна быть какая-то одна частица, которая может имеет наименьшую массу из всех, чтобы дальше она не могла распадаться, и она должна быть стабильной. Эти базовые требования должны сохраняться. Все остальное возможно.
Может быть несколько разновидностей темной материи?
Возможен даже вариант, что какая-то часть темной материи состоит из первичных черных дыр, какая-то часть из реликтовых струн, какая-то часть – из элементарных частиц. Мы считаем, что это неравные пропорции, есть какой-то доминирующий вклад, а всё остальное – это просто некие не очень большие дополнительные вклады.
Если физический предмет будет в окружении темной материи, что произойдет?
Мы считаем, что темная материя есть везде, мы все взаимодействуем с темной материей, просто мы этого не замечаем.
Поскольку темная материя есть везде, в том числе есть на Земле и в том числе в каждый момент времени есть какая-то вероятность для нас столкнуться с частицей темной материи, мы ничего не чувствуем.
В любой момент времени все мы взаимодействуем с частицами темной материи, и ничего страшного не происходит.
Может ли отсутствие результатов экспериментов указывать на то, что темная материя на самом деле состоит не из частиц?
Поскольку результаты везде отрицательные, то в научном сообществе раздаются голоса, что может быть мы все-таки неправильно понимаем обстановку и зря поставили на физику элементарных частиц. Может быть, это какие-то реликтовые черные дыры или какие-то экзотические макросостояния, которые, возможно, имеют место быть.
У нас сейчас некий кризис поиска темной материи, но наука процветает в кризисе, поэтому кризис – поворотная точка для открытия новых возможностей.
Почему мы вообще ищем темную материю? Что нам даст ты ее понимание?
Прежде всего, наше четкое понимание картины мира. Физики очень рациональны в том что, хотят понять первопричины мира, вывести базовые фундаментальные законы.
Темная материя очень важна для понимания Вселенной, потому что, как мы сейчас считаем, темная материя составляет 26% плотности Вселенной, а обычной матери – всего лишь 4,5% от полной плотности.
Оставшиеся 70% – это некая совсем нам неизвестная темная энергия. Поэтому очень важно понять, что такое темная материя и темная энергия, так как иначе мы считаем, что понимаем всего 4,5% состава Вселенной. С точки зрения фундаментальной физики – это неудовлетворительная ситуация.
Что собой представляет темная энергия?
Физики всегда мечтают создать некую окончательную теорию всего, единую теорию поля, которая описывает совершенно все.
Если мы такую теорию создаем, то по идее в этой теории должна содержаться и темная энергия, и темная материя, и обычные материи, и все это должно быть во взаимосвязи описано.
Темная энергия – еще более фундаментальная вещь, потому что это такое удивительное состояние вещества, которое дает отрицательное давление. Все вещество на свете производит положительное давление, а у темной энергии – отрицательное давление.
Именно темная энергия когда-то создала нашу Вселенную такую, как она и есть, и именно темная энергия сейчас диктует основной вклад в плотности. Так что это очень важный компонент. Мы считаем, что темная материя – это скалярные поля.
