Темная материя на пальцах™
эпиграф
Вихри враждебные веют над нами,
Темные силы нас злобно гнетут.
Варшавянка
Что такое темная материя? Ответ под катом.
Сразу начну со спойлера — сегодня, на конец 2016 года, темная материя это не что иное, как ошибка в уравнениях Эйнштейна. Мы, человечество, не знаем наверняка, что такое темная материя и существует ли она вообще, мы можем только сказать, что предсказания формул Эйнштейна и наблюдаемая действительность расходятся.
Теперь подробнее. 400 лет назад Ньютон придумал теорию гравитации, где на тела, обладающие массой, действовала сила, которая заставляла тела притягиваться пропорционально их массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Что это за сила, откуда берется и как действует, великий ученый так и не объяснил (в чем сила, Исаак?) Просто действует, и просто притягиваются, все. Если что, вот формула, как это происходит. А почему? Да, кто ж его знает, почему...
Гравитация по Ньютону
Через 300 лет Эйнштейн сказал, что нет никакой силы вовсе. Масса гнет пространство–время вокруг себя, и предметы начинают притягиваться и вообще двигаться криво, потому что само пространство–время получилось такое кривое, и телам некуда деваться. В какую сторону пространство кривое, туда предмет и движется. А почему он, кстати, вообще движется, а не успокоится на месте в этом кривом пространстве? Так потому, что не просто пространство, а пространство–же–время! Время никогда не останавливается, время всегда идет вперед, отчего в пространстве–времени невозможно стоять на месте, приходится двигаться с ним в ногу, как минимум со скоростью одна минута в минуту, а если повезет и тебя кто–то толкнул (а как иначе в невесомости?), то можно и по пространству начать перемещаться, забрав чуточку движения у скорости времени. Как и почему движение в пространстве всегда происходит как бы у скорости времени взаймы, читайте статью "Специальная Теория Относительности на пальцах™".
Гравитация по Эйнштейну
Теория Эйнштейна лучше, чем у Ньютона не только потому, что она более новая и дает объяснение, что такое гравитационная сила, точнее объясняет, почему сила больше не нужна. Самое главное, что хотя в целом они весьма схожи и в 99% выдают одинаковые предсказания, которые можно проверить экспериментом, существует все–таки 1% расхождений (процентная разбивка весьма условна и субъективна), где теория Ньютона лажает и предсказывает то, чего мы не наблюдаем в окружающей Вселенной. Или не предсказывает того, что наблюдаем. То есть теория Эйнштейна лучше потому, что она более точно описывает поведение природы, особенно если брать всяческие экстремальные ее проявления, вроде взрывов сверхновых и поведения черных дыр, когда скорости движения тел приближаются к световым, а массы к звездным.
Можно сказать, что теория Ньютона хорошо применима для объяснения поведения яблок, падающих на землю, и ракет, вращающихся вокруг планеты, но если переходить на большие масштабы, если пытаться объяснить, как себя ведут звезды и звездные системы — тут без поправок Эйнштейна никак. Однако, если не тормозить и забраться еще выше по шкале масштаба, наблюдая за поведением звезд в галактике или самих галактик в галактических скоплениях, начинает давать маху уже теория Эйнштейна.
И это не вчера стало известно. Экспериментальные подтверждения теории гравитации Эйнштейна (а ее название, собственно, Теория Относительности) начали появляться в начале XX века, хотя некоторые аспекты продолжают находить подтверждение в начале века XXI, например см. статью "Гравитационные волны на пальцах™". Но и нестыковки стали вылезать почти сразу, еще в 30х годах прошлого столетия.
Началось с того, что ученые измерили скорость вращения звезд в галактике. В любой галактике звезды вращаются вокруг ее центра примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца. Есть небольшие нюансы, но идея в целом та же самая. Мы знаем, что чем дальше планета от Солнца, тем дольше период ее вращения, тем больше времени занимает у планеты завершить круг (точнее эллипс) по орбите, тем длиннее планетарный год. Меркурий тратит на один оборот вокруг Солнца 88 земных суток, Венера — 224, на Земле год длится ровно год (что логично) или примерно 365 суток, у Марса 687 суток, год на Юпитере тянется 12 земных лет, на Сатурне почти 30 лет и так далее. Зависимость не линейная, там на самом деле корень из радиуса орбиты, но вполне четкая.
Так или примерно так вращаются планеты в Солнечной Системе
В галактиках все не так. Звезды вокруг самого центра любой галактики, включая нашу, вращаются быстро–быстро, но с определенного расстояния от центра скорость вращения становится постоянной, и больше не падает, то есть галактика вращается практически как единое целое, вся сразу.
А так звезды в галактике
Причем такое происходит не только в масштабе галактики, но и сами галактики вращаются друг вокруг друга, да и вообще кучкуются в скопления и сверхскопления не так, как им предписывает Эйнштейн.
И тут у науки возникают два пути. Либо признать, что формулы Эйнштейна не верны, точнее не полны, они хорошо работают на масштабах звездных систем, но ошибаются и нуждаются в дополнительных уточнениях на масштабе галактик и скоплений галактик (как формулы Ньютона хорошо работают на планете Земля, но уже в границах Солнечной Системы требуют уточнения Эйнштейна), либо заявить, что формулы у Эйнштейна правильные, но мы не учитываем всех факторов. Что кроме видимой материи, которая участвует в расчетах (ее называют обычной, или по–научному барионной материей), в природе якобы существует еще и невидимая (ага, темная, вот она!) материя, из–за влияния которой и происходят расхождения между формулой и наблюдением. Причем "темная" это просто слово. Она не только темная, потому что сама не излучает света и ее не видно в темноте космоса, она абсолютно и полностью невидимая и прозрачная. Темная материя совершенно не взаимодействует со светом, да и вообще с любыми электромагнитными волнами, и если посветить на нее фонариком, то луч не отразится и пройдет насквозь, а материя останется полностью невидимой. Мало того, эту материю еще и поймать нельзя, она пройдет сквозь руку или рука сквозь нее (что равнозначно), ее невозможно схватить и потрогать.
На Земле такой материи до сих пор не обнаружено, мы никогда ее не видели и не щупали, ибо нельзя. А в космосе — навалом. Чтобы формулы работали, темной материи в космосе должно быть в пять раз(!) больше, чем обычной, барионной, из которой состоят все звезды, туманности, планеты и облака межзвездного газа.
Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, не так ли? Ну, явно же, ученые опять облажались со своими расчетами, и айда выдумывать всякие несуществующие, невидимые и неосязаемые материи, вместо того, чтобы честно признать — мы тупые и формулы наши фуфло.
Но давайте по порядку. С тридцатых годов прошлого столетия, когда появились первые признаки расхождения результатов теории и непосредственных наблюдений, работа ученых пошла по двум указанным направлениям. Либо найти ошибку в расчетах Эйнштейна, уточнить его Теорию Относительности, например добавив в формулы новых параметров и констант, или даже полностью выкинуть на мороз и придумать новую с нуля, либо признать, что темная материя действительно существует и попытаться ее обнаружить какими–то хитрыми косвенными способами, хотя бы предсказать из чего она может состоять и какими параметрами обладать.
Для начала посмотрим, что удалось сделать в направлении улучшения, обновления, или полного искоренения Теории Относительности. Честно говоря, удалось не много. Например потому, что абсолютно все научные эксперименты, которые проводились в течение целого столетия в пределах Солнечной Системы, подтверждают математические выкладки Теории Относительности. Скажу то же самое, только наоборот — за целый век не было проведено ни одного научного эксперимента, который бы указывал на нарушение законов Теории Относительности в нашей Солнечной Системе. То есть где–то там, в скоплениях далеких галактик или на горизонтах событий черных дыр (а особенно в их сингулярностях) Теория Относительности скорее всего нарушается или каким–то образом получает новые уточняющие коэффициенты, но все, что мы можем протестировать вот прям здесь и сейчас — абсолютно все указывает, что в границах применимости Теория Относительности работает как часы. И искривления лучей света (гравитационное линзирование) измеряли, и спутники с прецизионными гироскопами для изучения увлечения инерциальных систем отсчета запускали, и прецессии планетарных орбит наблюдали, и система навигации GPS у нас работает с учетом поправок Теории Относительности, это довольно широкоизвестный даже среди неспециалистов факт. Ну, и недавно обнаруженные гравитационные волны же! Короче, можно самому в википедии глянуть на предсказания общей теории относительности и проведенные по этому поводу эксперименты.
Схема эксперимента Gravity Probe B
То есть полностью опровергнуть Теорию Относительности вряд ли получится, слишком много данных по всем фронтам набрано за сто лет наблюдений. От них не отмахнуться, отчего сегодня тех, кто приносит на рассмотрение труды, доказывающие, что Теория Относительности не верна, даже на порог научного института не пускают. Как в позапрошлом веке перестали принимать патенты на построение вечного двигателя. Ни один серьезный ученый просто не станет читать текст, который начинается как–то иначе чем: "Теория Относительности, естественно, в целом верна, но в некоторых особых случаях, на границах применимости, автором предлагается внести следующие уточняющие детали..."
Я, конечно же, утрирую. Никто так не пишет, это подразумевается само собой. В здравом уме сегодня никто не пытается опровергнуть Теорию Относительности, ее пытаются разными способами дополнить или улучшить. Хотя можно, конечно, попытаться создать что–то совсем новое, какую–то совершенно не геометрическую теорию тяготения, но все равно придется включить в себя ТО как частный случай в определенных границах. В основном ратуют, что на огромных расстояниях в формулах Теории Относительности появятся новые коэффициенты, которые неощутимы в масштабах локальной звездной системы и вступают в игру только на галактических просторах.
Этих альтернативных и улучшенных Теорий Относительности напридумывали великое множество. Всех даже перечислять не стану, тут на целый альтернативный пост на пальцах™ потянет, упомяну вскользь несколько штук. Например теория MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), хотя уже по названию понятно, что это даже не улучшение Теории Относительности Эйнштейна, а вообще попытка исправить теорию гравитации Ньютона, мол на малых расстояниях гравитация падает согласно квадрату расстояния (как у Ньютона), но чем дальше, тем больше она начинает уменьшаться уже пропорционально просто расстоянию, а не квадрату. Если на эту формулу накрутить всяких релятивистских эффектов, получается "релятивистская MOND", чтобы как у Эйнштейна скорость света тоже в формулах участвовала.
Или например торсионная теория гравитации. Возможно вы слышали уже где–то слово "торсионный", скорее всего в связке "торсионные поля", сейчас коротенько объясню, что это такое. Сегодня фраза "торсионные поля" полностью опошлена и втоптана в грязь любителями астрально путешествовать в пирамидах или заряжать воду и крэмы перед экраном телевизора. Потому что без помощи торсионных полей и тарелки не летают и вода начинает терять память. Хотя изначально это была вполне строгая математическая теория, придуманная серьезным французским ученым Эли Картаном еще в 1922 году, как дополнение к Теории Относительности. Напомню, вся Теория Относительности Эйнштейна, все эти искривления пространства–времени строятся на тензорах, в смысле описываются ими.
Тензор — это многомерный вектор. Что такое вектор разъяснять не надо? Это такая стрелочка, которая имеет силу (длина стрелочки) и направление (направление, куда стрелочка указывает).
Это вектор
А тензор — это когда много–много стрелочек–векторов, и все торчат в разные стороны, плюс все это еще и в 3D.
А это тензор
Причем они торчат из одной (в смысле из каждой) точки и имеют при этом разную длину и направление. Это значит, что в этом месте на точку действует много сил из разных сторон, и ее одновременно тянет вверх с силой 5, направо с силой 12, вперед с силой 3, а результирующая будет как–то под углом ко всем трем. И в каждой точке своя результирующая. Все это наглядно можно представить, если взять деревянный брусок и начать над ним издеваться — сжимать, крутить и растягивать, тогда в нем тензоры напряжений начнутся в полный рост, когда каждую молекулу бруска станет колбасить в разные стороны одновременно. В принципе, с пространством–временем в Теории Относительности как раз это самое и происходит, отчего теория на тензорах и построена. А Эли Картан предположил, что каждая точка бруска (или пространства–времени) не только разными силами в разные направления сжимаема, а может иметь еще одну степень свободы — способна крутиться вокруг своей оси в определенном направлении и с определенной скоростью. В данном случае у нас получаются чуть более сложные, чем у Эйнштейна, формулы, описываемые чуть более сложными, продвинутыми торсионными тензорами. Потому что "торсио" — это кручение по–латыни.
Вот и все. Получается чуть более сложная Теория Относительности, теперь и с кручением! Повторюсь, это вполне строгая и логичная математическая теория, со своими километрами формул, еще более замороченных, чем у Эйнштейна, потому что степеней свободы больше. Другое дело, что она оказалась не верна, но не в том смысле, что в ней какие–то ошибки, а в том, что она не описывает наблюдаемые в природе вещи. Ни в одном поставленном эксперименте никаких кручений учеными обнаружено не было, и кручения из тензоров убрали. Это потом уже, когда ученые наигрались и бросили, как неподтвержденную наблюдениями, ее подняли с пола эзотерики, оттерли, перекрасили и давай совать во все щели! Теперь "торсионными полями" объясняют все, что нельзя объяснить как–то иначе: телепатию, летающие тарелки, инновационные нанофильтры и прочее псевдонаучное фричество, да и вполне реальное мошенничество.
Существуют и совсем уже экзотические теории гравитации, пытающиеся трактовать наличие темной материи без участия темной материи как таковой. Например, что Вселенная у нас, в принципе, анизотропная. То есть законы физики в ней действуют неравномерно, здесь в Солнечной Системе у нас одни законы и формулы, а в Туманности Андромеды — другие, ибо само пространство–время, сам вакуум космоса неоднородный, от места к месту он разный, с блекджеком и градиентами.
Как я уже говорил, разных теорий гравитации великое множество, и каждая из них гордится тем, что с помощью своих формул может объяснить то или иное проявление природы, тот или иной экспериментальный факт, а уж безжалостных экспериментов над бедной Вселенной злобные ученые поставили просто безумное количество.
Однако теории, которая бы включила в себя и объяснила сразу ВСЕ существующие наблюдения, у нас так и нет, Теория Относительности продолжает быть лучшей на этом поприще. Как говорится, не лучшее, что самое лучшее, но самое лучшее, что у нас есть. Отчего, возможно, она и с темной материей не ошибается, и та действительно существует во Вселенной, тем более, что кроме неправильного вращения галактик, эта материя косвенно проявляется во многих других наблюдениях.
Hubble extreme deep field
Например, без участия темной материи мы не можем объяснить не только вращение галактик, но и сам факт их наличия. Почему существуют звездные системы, такие как наша Солнечная? Потому что в центре каждой из них находится звезда, которая своим притяжением удерживает планеты на орбитах. А почему существуют галактики? В начале времен, после Большого Взрыва, во Вселенной были только облака водорода и гелия, потом под действием гравитации они стали уплотнятся и превращаться в звезды. Но ничего не заставляет звезды кучковаться в галактики, их взаимного притяжения не достаточно. Не будь темной материи, вся Вселенная была бы просто беспорядочной мешаниной звезд, а не как сейчас — островки–галактики, в которых звезд много, и огромные пустоты между ними, где звезд почти нет вообще. Звезды начали формироваться там, где в молодой Вселенной оказалось много обычной материи (облаков водорода), а галактики образовались там, где было много темной материи. Это, конечно, все еще не факт доказательства ее существования, просто во всех компьютерных симуляциях без темной материи у нас получаются вселенные полные звезд, но без галактик.
Или данные гравитационного линзирования, что мы имеем. По теории Эйнштейна наличие в космосе массы должно искривлять пространство–время, а вместе с ним и лучи света, которые по этому космосу путешествуют. И ученые действительно наблюдают данный феномен в телескопы, тут все четко. Но если провести расчеты, опять выходит, что не хватает массы для такого сильного искривления. Если бы пространство–время гнули только видимые звезды и галактики, лучи света искривлялись бы в пять раз меньше того, что мы регистрируем. Естественно это я так, для простоты написал, что "в пять раз меньше", там хитрые вычисления и формулы, но по расчетам массы во Вселенной должно быть в пять раз больше, чем то, что мы наблюдаем для подобных искривлений. И тут дело даже не в количестве необходимой темной материи, а в ее геометрическом распределении.
Гравитационное линзирование как оно есть
Если предположить наличие вещества, которое не взаимодействует электромагнитно, а проявляет себя лишь гравитацией, получается, что это вещество не будет слипаться в кучи, как обычная материя, которая удерживается на месте электромагнитными силами между атомами и молекулами. Все мы — люди, деревья, горы и планеты — суть куча молекул, сцепленных друг с другом электромагнитными полями. Стоит убрать это притяжение, и молекулы тут же разлетятся в стороны. Далеко они не улетят, так как взаимная гравитация все–таки притягивает, но цепляться друг за друга они не смогут и не захотят. Останутся шарообразным облачком беспорядочных молекул в пустоте вакуума. В принципе, электромагнитные силы несложно победить. Можно нагреть человека (ну, ладно, ладно, пусть лучше дерево) на несколько тысяч градусов, электромагнитные силы спасуют перед такой энергией, и дерево тут же превратится в облачко дыма и улетит в трубу. Если труба эта не на Земле, а в космосе, шарообразное облачко молекул бывшего дерева так и будет летать в невесомости, пока не остынет, не начнет падать друг на друга, и не слипнется электромагнитными силами опять в дере... ну... в какую–то бесформенную хрень из углерода, азота и воды, то есть льда.
Темная материя, если она существует, должна образовывать такое вот облако из частиц этой материи (если она вообще состоит из частиц, но об этом ниже), кружащее вокруг любого массивного предмета из обычного вещества. Галактики (и все мы с вами) окружены облаком темной материи (по научному это называется "гало"), которое распространяется далеко за пределы самого предмета. Тут, кстати, можно выдвинуть предположение, что аура человека как раз и состоит из темной материи вокруг него, но так далеко в гипотезы забираться не советую.
Обычная материя в центре, темная — облако частиц вокруг
Гало темной материи вокруг галактики как раз держит ее на месте и заставляет вращаться почти как единое целое. Но и лучи света, пролетающие мимо и искривляемые галактикой, в этом случае начинают искривляться уже массой всего облака, а это не просто больше вещества, но и по–другому сконфигурированное распределение массы в пространстве, отчего свет искривляется немного не так, как должен это делать без темной материи. Астрофизики провели наблюдение всех искривлений света в окружающем космосе и у них получилась карта распределения темной материи во Вселенной.
Срез пространства с рассчитанными зонами скоплений темной материи
Все галактики окружены шарами темной материи, а так как галактики притягиваются друг к другу, образуя скопления галактик, темная материя тоже гравитационно взаимодействует и с галактиками и с собой, получается такая вот размазанная по вакууму структура.
А если растянуть эту картинку на всю Вселенную, то мы получим известное многим изображение с названием Космическая Паутина (Cosmic Web), где яркие точки в узлах паутины это наше обычное вещество — скопления галактик, а полупрозрачные ореолы вокруг — гало темной материи. Так, современная наука считает, выглядит Вселенная на больших масштабах.
Космическая паутина
Ну и конечно же в статье про темную материю нельзя не упомянуть скопление Пули (Bullet Cluster). Сегодня это считается главным (не единственным, но наиболее наглядным) доказательством существования темной материи.
На фотографии, скомпилированной по данным с телескопов Хаббл и Чандра в разных диапазонах, изображено столкновение двух галактических скоплений, происходящее в 3.7 миллиардах световых лет от Земли. Одно скопление, расположенное справа (именно оно, собственно, и называется скопление Пули, потому что похоже на пулю), прорывается, точнее уже почти прорвалось, сквозь другое, гораздо большее по размерам скопление (не нашел его названия, пусть будет называться "скопление Мишени"). Идея в том, что оба скопления состоят из обычного барионного вещества: это звезды, планеты и прочий мусор, а также облака межзвездного газа (в основном водорода), подкрашенного на фото красным цветом, а вокруг всего этого в каждом скоплении находится гало из темной материи, подкрашенного синим. Его конечно же не видно в телескопы, но можно рассчитать по гравитационному линзированию.
Скопление Пули (фото)
Когда одно скопление проходит сквозь другое, обычная материя сталкивается друг с другом и нагревается в процессе. Прямых столкновений не много, ведь это, по большому счету, два облака газа проходят друг сквозь друга, но все же удары частиц присутствуют, а любой удар — это проявление электромагнитного отталкивания, отчего выделяется тепло (облака нагреваются) и теряют при этом кинетическую энергию движения (попросту говоря, взаимно тормозятся друг об друга). А темная материя, составляющая оба гало, меж тем пролетела насквозь без тормозов и опередила в полете обычную, поэтому синие облака находятся на краях фото, а красные отстают в центре.
Скопление Пули (видео)
Были попытки объяснения данного процесса без привлечения темной материи, но во всех из них не получается подобной конфигурации распределения вещества, и астрономы козыряют этим изображением как главным, хотя все еще весьма косвенным, доказательством существования темной материи.
А что же нужно для прямого и непосредственного доказательства, для того, чтобы официально объявить открытие темной материи во Вселенной, чтобы ее существование считалось научным фактом, и за него можно было выдать Нобелевскую Премию? Для этого требуется напрямую поймать некую частицу, из которой темная материя могла бы состоять.
Как я уже упоминал, мы до сих пор не знаем, из чего состоит темная материя. Мы даже не знаем точно, есть ли она вообще, я ведь говорил, что все доказательства пока весьма косвенные. Слова "темная" и "материя" используются как плейсхолдеры, как заменители, пока мы не знаем, что это такое. Вполне может оказаться, что это не материя вовсе, в смысле не вещество, а, например какое–то непрерывное энергетическое поле. Или что–то вроде жидкости, разлитой по вакууму, но тут возникают неприятные ассоциации с отмененным в 19 веке теплородом, так что ученые все–таки предпочитают считать темную материю именно материей, состоящей из неизвестных пока науке частиц, и во всех опытах по обнаружению темной материи ищут именно частицы, потенциально подходящие на эту роль.
Есть несколько предположений, что это могут быть за частицы. Например на роль частиц темной материи претендуют особые стерильные (и пока гипотетические) виды нейтрино, не вступающие в электромагнитные взаимодействия (нейтралино). Или не менее гипотетические частицы–вимпы (WIMP), поисками которых ученые заняты прямо сейчас, в экспериментах вроде LUX или CDMS, но все пока без результатов. В конце концов, это может действительно оказаться не материя в привычном понимании, а, скажем, особая конфигурация самого вакуума в разных энергетических состояниях (про разные состояния вакуума читайте статью "Ложный вакуум на пальцах™").
Что из себя представляет темная материя на текущий момент остается открытой научной загадкой. Вот почему я начал текст со спойлера — пока нет точных официальных данных, приходится считать темную материю потенциальной ошибкой в формулах Эйнштейна, то есть несовпадением расчетов и наблюдений. И примерно раз в полтора года Интернет снова и снова взрывается очередным сенсационным сообщением, проходящим по всем новостным сайтам — "Ученые отменили темную материю!". Однако во всех случаях, если перейти по ссылке, продраться сквозь журналистский бред и найти оригинальный источник новости, каждый раз оказывается, что еще один ученый опубликовал очередную статью с новой попыткой модификации Теории Относительности. Все работы как всегда теоретические, никаких экспериментальных доказательств нет, но журналисту не нужны доказательства, журналисту нужна сенсация, главное первым прокричать "Волки!" или наоборот "Волков не существует!" Я лично скорее поверю новостям о прямом или косвенном наблюдении частиц темной материи на детекторах, но тут не угадаешь, научная проблема до сих пор открытая, как оно окажется на самом деле сегодня не знает никто.
Но это еще что, ведь есть во Вселенной еще и Темная Энергия! Хотя, это уже другая история, а значит — совершенно другой пост на пальцах™.
sly2m(c)
