Тёмная материя

Нужна ли темная материя для объяснения движения космических тел? Видимо, все же нужна. Астрофизики попробовали «помирить» альтернативную гипотезу с наблюдениями в окрестностях Солнечной системы и даже внутри нее — с орбитой Сатурна. Для фанатов MOND результаты оказались неутешительными.

Хорошая теория гравитации должна объяснять как можно больше гравитационных феноменов, используя минимум параметров. Общая теория относительности в общем-то хорошо работает в масштабах от микрометров до десятков гигапарсек. И все же есть феномены, которые она не может объяснить. Например, почему края галактических дисков вращаются быстрее расчетов и при этом не разлетаются. Так появилась популярная сегодня гипотеза о существовании темной материи. Конечно, есть и альтернативы. Одна из самых популярных альтернативных теорий гравитации — модифицированная ньютоновская динамика (MOND).

В основе MOND лежит идея, что ньютоновская сила тяготения не работает при малых ускорениях — менее 10-10 метров в секунду квадратную. Гипотезу предложил в 1983 году израильский физик Мордехай Милгром. Она как раз хорошо объясняет движение тел во внешних областях галактик. Впрочем, у темной материи тоже нет с этим проблем.

Чтобы проверить MOND, нужны другие исследования — конечно, основанные на больших и точных массивах данных наблюдений. Именно такие данные теперь есть у астрономов благодаря масштабным обзорам неба вроде проекта «Гайя». Именно поэтому в последние годы появляется все больше работ на эту тему.

Авторы новой статьи, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, попробовали «помирить» MOND сразу с несколькими наборами данных: измерениями зонда «Кассини» у Сатурна, движением двойных звезд со значительным периодом обращения вокруг общего центра в окрестностях Солнечной системы и так называемым соотношением центростремительного ускорения (radial acceleration relation, RAR).

Термином RAR обозначают обнаруженное около семи лет назад универсальное соотношение между центростремительным ускорением объектов в галактиках, которое выводят по наблюдениями, и тем, которое получают из оценки видимой материи в галактике. В ньютоновской теории эти значения должны совпадать. В реальности они расходятся. Главное — в дисковых галактиках это расхождение, по сути, и должно быть прямым следствием модели MOND.

Раз эффект MOND заметен в масштабе галактик, что подтверждается расчетами и исследованиями, то он должен работать и на меньших расстояниях, даже в пределах Солнечной системы. Конечно, при этом его должно быть труднее заметить. Именно поэтому авторы новой работы использовали данные зонда «Кассини» за 13 лет его полета вокруг Сатурна. Благодаря такому долгому периоду работы астрономы смогли невероятно точно измерить орбиту планеты по задержке передачи сигналов между зондом и Землей.

Идея проверки в том, что притяжение остальной Галактики должно чуть отклонять орбиту Сатурна. Из-за этого влияния расчеты орбиты по ОТО не должны совпадать с расчетами по MOND. Остается лишь сопоставить их с данными наблюдений. Ученые сделали это еще 10 лет назад. Тогда им не удалось найти аномалий в орбите «окольцованного» гиганта. В этот раз исследователи пошли дальше — попробовали «подкрутить» гипотезу MOND под данные «Кассини».

Несмотря на то что MOND хорошо объясняет движение тел в масштабе Галактики — и новые расчеты это подтвердили, — альтернативная гипотеза совсем не сочетается с данными по орбите Сатурна.

«Вероятность, что MOND совпадет с данными „Кассини”, равносильна выпадению решки 59 раз подряд при подбрасывании монетки», — пояснил один из авторов исследования. Для сравнения: отклонение в пять сигм, «золотой стандарт» для научного открытия, соответствует выпадению решки 21 раз подряд.

Единственное, что может «спасти» гипотезу MOND, — гораздо более резкий переход от ньютоновского тяготения к тяготению MOND. Вот только это уже не совпадает с расчетами по соотношению RAR, которое в последние годы доказало свою целесообразность.

Более того, MOND не работает и в масштабе двойных звезд со значительным периодом обращения вокруг общего центра. Ученые сравнили свои расчеты с результатами исследования таких объектов, опубликованного в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в январе 2024 года. По MOND такие звезды должны вращаться друг вокруг друга на 20% быстрее, чем показывают расчеты по ОТО. Астрономы не видят подобного расхождения в данных. Чтобы гипотеза MOND работала на таких расстояниях, ее нужно сильно править. Хотя есть ученые, которые считают, что двойные звезды как раз доказывают MOND. Правда, в таких масштабах очень многое зависит от оценки погрешностей измерений.

В марте 2024-го на сайте препринтов arXiv вышла еще одна работа, посвященная MOND. Ее авторы проверили гипотезу на распределении и движении транснептуновых объектов. И снова альтернативная гипотеза «проиграла» ОТО. Если бы она была верна, «наклон» орбит этих объектов к плоскости Солнечной системы был бы гораздо больше.

В общем, по результатам нескольких новейших работ можно сделать вывод, что модифицированную ньютоновскую динамику (MOND) нужно либо еще сильнее модифицировать, либо отказаться от нее в пользу других гипотез.

Астрофизики подозревают, что «темное вещество» может состоять из особых сверхлегких частиц, и есть шанс их обнаружить во время наблюдений сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.

Темная материя пока настолько непостижима, что среди ученых продолжаются ожесточенные дискуссии о том, материя это вообще или нет (гипотеза MOND). В основном физики все же исходят из того, что это должно быть некое вещество, поскольку одну вещь насчет него в космосе совершенно точно распознают по косвенным признакам: вещество имеет огромную массу и, соответственно, гравитацию.

Когда ученые оценили, какая сила нужна, чтобы собрать сотни миллиардов звезд в единую галактическую конструкцию и продолжать крепко держать ее долгие миллиарды лет, они поняли, что по большей части это какая-то неведомая сила. На одной взаимной гравитации всех видимых объектов практически ни одна галактика не продержалась бы. Доступные нашей оптике части галактик — маленькие жемчужины внутри огромных раковин скрытой массы.

В стремлении раскрыть одну из главных тайн современной науки ученые теоретически предполагают, чем эта темная материя может оказаться, и моделируют, как она проявит себя в том или ином случае.

Одна из интересных версий гласит, что при всей своей огромной общей массе это вещество состоит из частиц, которые как минимум в миллиарды раз легче электронов, — так называемых ультралегких (или сверхлегких) бозонов. По расчетам, эти частицы будут взаимодействовать с обычными крайне слабо (разумеется, если не считать гравитационного взаимодействия), так что на роль невидимых и неосязаемых вполне подходят.

Тем не менее вблизи какого-то особо массивного скопления понятного нам вещества такую сверхлегкую темную материю в теории заметить можно. К примеру, вблизи черной дыры, особенно если она не одна, а в тесном взаимодействии, скажем, с другой черной дырой либо со звездой. Их связь порождает явление под названием «гравитационные волны»: они расходятся по ткани пространства-времени, словно круги по воде.

Но если их окружает невидимое плотное облако сверхлегких бозонов, то его собственное притяжение будет вмешиваться в процесс и изменять характер распространения гравитационных волн. Так астрофизики и рассчитывают его обнаружить.

Как пишет в Physical Review Letters команда исследователей во главе с профессором Франциско Дьюком из Института гравитационной физики Макса Планка (Германия), их цель — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, причем такие, которые находятся в процессе поглощения звезды или черной дыры звездной массы и распространяют гравитационные волны.

Наблюдать, как они колышут ткань космоса и, возможно, выдают присутствие частиц темной материи, астрофизики надеются с помощью нового детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Его планируют запустить в космос в 2034 году.

Команда астрономов сообщила о возможном обнаружении темной материи – невидимого вещества, которое, как считается, составляет более 85% всей материи во Вселенной. Заявление вызывает споры, и результаты, опубликованные в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, требуют подтверждения дальнейшими наблюдениями. Однако пока это одно из самых захватывающих событий в поисках этого вездесущего призрака космоса.

Автор исследования Томонори Тотани, астроном из Токийского университета.

Это может стать решающим прорывом в разгадке природы темной материи.

Обычная барионная материя не существует в достаточных количествах, чтобы объяснить формирование галактик – у них просто недостаточно массы для гравитационного притяжения, необходимого для удержания структуры. Темная материя, превосходящая обычную в соотношении пять к одному, стягивает звезды и планеты галактик своей гравитацией, но не взаимодействует с обычной материей никаким другим способом. Это делает доказательство её существования крайне сложным.

Одна из преобладающих теорий заключается в том, что темная материя состоит из WIMP – слабо взаимодействующих массивных частиц. При столкновении WIMP с их античастицами они должны аннигилировать друг друга, высвобождая энергию в форме гамма-лучей. Именно эти гамма-излучения ученые пытаются обнаружить десятилетиями.

Астрономы проанализировали данные за 15 лет, собранные космическим гамма-телескопом Fermi NASA в области вблизи центра Млечного Пути, и обнаружили гало гамма-лучей, которое нельзя объяснить окружением.

Мы обнаружили гамма-лучи с энергией фотонов 20 гигаэлектронвольт, распространяющиеся в структуре, похожей на гало.

Интенсивность излучения соответствует аннигиляции WIMP с массой примерно в 500 раз больше массы протона.

Некоторые коллеги Тотани настроены скептически. Кинва Ву, теоретический астрофизик из Университетского колледжа Лондона сказала:

Нам нужны экстраординарные доказательства для экстраординарного заявления. Этот анализ пока не достиг такого статуса.

Тотани осознаёт, что обнаружение пока не является однозначным. Один из способов подтвердить заявление – обнаружить ту же сигнатуру гамма-излучения в карликовых галактиках, вращающихся вокруг Млечного Пути. Это может быть достигнуто, когда накопится больше данных, и если так, это предоставит ещё более убедительные доказательства того, что гамма-лучи происходят от темной материи.

Источник

Тёмная материя – невидимый каркас, который, как считается, удерживает галактики вместе. За почти столетие исследований её так и не удалось напрямую обнаружить, но учёные научились наблюдать косвенные проявления, и теперь одна из команд использовала эти методы, чтобы создать самую детализированную на сегодня карту тёмной материи.

Исследователи опубликовали карту в понедельник в журнале Nature Astronomy. Для её создания они измеряли крошечные искажения форм сотен тысяч галактик, снятых телескопом Уэбба. Это позволило восстановить распределение массы – включая тёмную материю – и отобразить невидимую структуру Вселенной.

Астрономы полагают, что обычная материя – частицы, взаимодействующие со светом и потому наблюдаемые – составляет лишь шестую часть всей материи во Вселенной. Остальное приходится на тёмную материю, которая не испускает и не поглощает свет, взаимодействуя с окружающим миром только через гравитацию.

Согласно стандартной космологической модели, тёмная материя должна существовать, чтобы объяснить определённые гравитационные эффекты – например, неожиданно быстрое вращение галактик или то, что они держатся вместе прочнее, чем должны были бы. Лучший способ косвенно "увидеть" тёмную материю – измерить её гравитационные эффекты, чем и занялись ученые, используя слабое гравитационное линзирование – тонкое искажение света от далёких галактик, вызванное гравитацией промежуточной массы.

Снимки Уэбба высокого разрешения из обзора COSMOS-Web позволили команде измерить формы 129 галактик и построить карту материи с разрешением более чем в два раза выше, чем у предыдущих карт с телескопа Хаббла.

Самые яркие области карты отмечают места, где сконцентрированы большие массы – обычно там находятся массивные скопления галактик. Тусклые нитевидные структуры, соединяющие эти яркие пятна, прослеживают обширные филаменты, которые связывают галактики воедино, а более тёмные, гладкие области показывают, где материи относительно мало.

Проще говоря, карта – это картина каркаса Вселенной.

Разрешение новой карты не только даёт детальный вид структуры Вселенной, но и позволяет астрономам наблюдать эту структуру гораздо дальше в прошлом, чем предыдущие карты. Она прослеживает тёмную материю до эпохи, когда галактики формировались наиболее активно, и потому служит отправной точкой для проверки теорий о природе тёмной материи, а также моделей галактических окружений в период пикового звёздообразования – примерно 8–11 миллиардов лет назад.

Карта согласуется с нашей текущей космологической моделью, которая предсказывает, что тёмная материя формирует паутинообразную структуру, внутри которой растут галактики. С этим более чётким видом мы можем проверять эти предсказания точнее и искать небольшие расхождения, которые могут намекать на новую физику – например, альтернативные свойства тёмной материи или тонкие отклонения от стандартной гравитации.

Качество данных также открывает двери к изучению эволюции материи во времени. Это поможет следующему проекту – созданию трёхмерных карт массы Вселенной. Космические телескопы нового поколения вроде телескопа Нэнси Грейс Роман (NASA) и Евклид (ESA) поддержат эту работу, производя данные высокого разрешения, охватывающие гораздо большие участки неба.

отсюда

Ученые из Гронингенского университета провели масштабный анализ движения Местной группы галактик в локальном объеме космоса. Исследователи создали детальную модель распределения массы, которая объясняет аномальный порядок вокруг Местной группы, включающей Млечный путь, галактику Андромеда и несколько десятков небольших галактик. Ученые показали, что вся Местная группа надежно защищена гигантской плоской структурой из темной материи.

Космическая паутина. Вселенная в больших масштабах напоминает не хаотичное облако, а гигантскую трехмерную паутину. Ее нити и узлы состоят из темной материи, которая не излучает света, но составляет около 85% всей массы вещества. Обычные галактики располагаются вдоль этих невидимых волокон. Описанный в исследовании «Местный лист» является частью этой глобальной сети. Он выполняет роль своеобразного фундамента, на котором выстроена архитектура нашего галактического дома.

Наше положение во Вселенной долгое время казалось астрономам странным из-за сочетания трех факторов: существования Местного листа, наличия пустой области (Местного войда) и необычайно спокойного расширения пространства вокруг нас («тихий» поток Хаббла).

Новое исследование Эвуда Вемпе и его коллег, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показывает, что Млечный Путь и Андромеда не просто дрейфуют в пустоте, а вмонтированы в массивную структуру из темной материи, напоминающую по форме тонкий блин.

Эта структура своей гравитацией буквально «прижимает» галактики к плоскости, создавая ту самую плоскую конфигурацию, которую мы наблюдаем. Для проверки этой гипотезы ученые проанализировали траектории 31 изолированной галактики, используя их как маркеры расширения пространства. Моделирование показало, что наблюдаемые скорости перемещения возможны только в том случае, если скрытая масса сконцентрирована в узком слое толщиной до 10 мегапарсек, над и под которым располагаются глубокие пустоты.

Местный лист и космический порядок

Такая геометрия распределения темной материи естественным образом объясняет отсутствие хаоса в движениях наших ближайших соседей. Гравитация листа вытягивает материю из прилегающих областей, формируя пустые пространства — войды, и одновременно стабилизирует расширение Вселенной внутри самого слоя.

Это делает поток Хаббла «тихим» и регулярным, несмотря на огромную массу Млечного Пути и Андромеды, которые в иных условиях должны были бы вносить заметные искажения в общую картину. Ученые отмечают, что построенная ими модель не требует привлечения новой экзотической физики и полностью согласуется с текущими представлениями об эволюции космоса.

Как отмечает ведущий автор работы Эвуд Вемпе: «Мы исследуем все возможные локальные конфигурации ранней Вселенной, которые в конечном итоге могли привести к образованию Местной группы. Замечательно, что теперь у нас есть модель, которая согласуется с современной космологической теорией, с одной стороны, и с динамикой нашей локальной среды — с другой». Наше место в космосе оказалось не случайным скоплением звезд, а частью строго упорядоченной крупномасштабной структуры, что очень хорошо для нас, поскольку практически исключает аномальные явления, которые могли бы угрожать Млечному пути и в конечном счете жизни на Земле.

отсюда

Новое исследование предполагает, что Млечный Путь и вся Местная группа галактик расположены в обширном "листе" темной материи, окруженном космическими пустотами с обеих сторон. Открытие может объяснить загадочное движение близлежащих галактик, которое противоречит гравитационному влиянию соседних областей.

Работа, опубликованная в Nature Astronomy, связана с открытием американского астронома Эдвина Хаббла почти столетие назад о том, что вселенная расширяется. Хаббл заметил, что практически каждая наблюдаемая галактика удаляется от Земли со скоростью, пропорциональной расстоянию.

Однако существовало заметное исключение – Андромеда, ближайшая крупная галактика к нашей, которая движется в нашу сторону. Это озадачивало астрономов, так как Андромеда, Млечный Путь и десятки других близлежащих галактик гравитационно связаны друг с другом, формируя Местную группу. Огромная гравитация группы должна притягивать все составляющие её галактики друг к другу, а не только Андромеду.

Чтобы решить давнюю астрономическую загадку, исследователи создали "виртуального двойника" Местной группы и десятков других галактик за её пределами. Команда симулировала эволюцию с нуля на основе наблюдений космического микроволнового фона – остаточного света от Большого взрыва, что позволило определить начальные условия. Затем движения симулированных галактик сравнили с реальными аналогами и обнаружили совпадение.

Виртуальный двойник оказался точным. Исследователи выяснили, что симуляция имеет смысл только в том случае, если вся Местная группа находится в огромном "листе" темной материи миллионы световых лет в поперечнике. Темная материя – невидимое и всё ещё гипотетическое вещество, которое, как считается, составляет около 85% всей массы во вселенной.

Астрономы впервые выдвинули гипотезу о существовании темной материи, наблюдая, что вся видимая материя в галактиках недостаточна для удержания их вместе. Темная материя обеспечивает гравитационный каркас, необходимый для поддержания всего на месте, оставаясь невидимой и не взаимодействуя с обычной материей. Стандартная модель космологии утверждает, что целые галактики "подвешены" в огромных сгустках темной материи, называемых гало, с массой, возможно, в триллионы раз превышающей массу Солнца.

Традиционно считается, что эти гало представляют собой гигантские комковатые сферы, а не огромный "лист", как предполагают исследователи. Однако команда утверждает, что плоская геометрия даёт аккуратное объяснение поведению близлежащих галактик.

В листоподобной геометрии соотношение скорости и расстояния зависит не только от заключенной массы, как в сферическом случае, но также от массы на больших расстояниях.

Масса на дальних краях листа темной материи слегка тянет всё внутри наружу, тогда как за границами плоскости находится пустота без галактик.

Ведущий автор исследования Эвауд Вемпе из Института Каптейна в Гронингене, Нидерланды, называет работу первой оценкой распределения и скорости темной материи в Местной группе.

Мы исследуем все возможные локальные конфигурации ранней вселенной, которые в конечном итоге могли привести к Местной группе. Замечательно, что теперь у нас есть модель, согласующаяся с текущей космологической моделью с одной стороны и с динамикой нашего локального окружения с другой.

Открытие требует дальнейшего подтверждения независимыми наблюдениями других галактических групп. Исследователи планируют использовать данные космических телескопов для проверки листоподобной структуры темной материи за пределами Местной группы.

отсюда