О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина | Свидетели Иеговы
Читайте нас:
Доступное в России зеркало Граней: https://grani-ru-org.appspot.com/Society/Science/m.83691.html

статья Раз в 10 000 лет Земля купается в темной материи

Алексей Левин (Вашингтон), 29.01.2005
Реклама

Распределение темной материи, окружающей Млечный путь. Здесь можно видеть многочисленные небольшие ореолы, состоящие из темной материи. Картинка отображает результат шестимесячных компьютерных вычислений. Иллюстрация с сайта krone.physik.unizh.ch/~moore/ Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков, чья статья появилась в последнем выпуске журнала Nature.

О космической темной материи сейчас слышали все, хотя что это такое, пока не знают ни астрономы, ни физики. Впрочем, идея эта далеко не нова, однако в течение нескольких десятилетий о ней знали лишь узкие специалисты. Впервые ее выдвинул Фриц Цвикки, замечательный швейцарско-американский астроном и к тому же отличный изобретатель, увлекавшийся конструированием ракетных двигателей. В 1920 г. Цвикки окончил Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе, а потом без малого полвека преподавал и занимался исследованиями в Калифорнийском технологическом институте. Его главной любовью были сверхновые звезды, но он получил много важнейших результатов и в других областях астрономии. В 1933 г. Цвикки выполнил измерения скоростей галактик, входящих в состав скопления в созвездии Волосы Вероники. Эти галактики вращались вокруг общего центра масс, и их скорости, согласно азам классической механики, должны были зависеть от суммарной массы скопления, которую Цвикки определил по его видимой яркости. И вот тут-то Цвикки столкнулся с парадоксом. Галактики двигались слишком быстро, их измеренные скорости многократно превышали те величины, которые вытекали из решения ньютоновских уравнений. Чтобы выйти из этого затруднения, Цвикки предположил, что реальная масса скопления намного превышает ту, которая соответствует его светимости. Так в астрономию впервые вошло понятие скрытой, "темной" материи, которую невозможно обнаружить с помощью наблюдений небосвода в оптическом диапазоне.

В то далекое время гипотеза темной материи как-то "не прозвучала", и астрономы всерьез вернулись к ней только в начале семидесятых годов. Теперь же ситуация стала еще удивительнее. По современным данным, в нашей Вселенной общая доля обычного вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов, составляет всего лишь четыре процента от ее суммарной массы. Еще 23 процента приходятся на долю темной материи невыясненной природы, а оставшиеся 73 процента - на долю так называемой темной энергии (ее еще называют энергией физического вакуума). Об этой таинственной энергии пока что практически совсем ничего не известно, кроме того, что именно благодаря ей космическое пространство расширяется с возрастающей скоростью.

Из чего может состоять темная материя, пока толком никто не знает. Самая правдоподобная гипотеза сводится к следующему: ее "кирпичиками" служат еще не открытые тяжелые элементарные частицы, масса которых примерно в сотню раз превышает массу протона. Хотя такие объекты микромира пока не открыты, название для них давно придумано: слабовзаимодействующие массивные частицы, в английской аббревиатуре WIMP, weekly interacting massive particles. Существование таких частиц вытекает из чрезвычайно красивой теоретической модели, основанной на идее суперсимметрии. Это особая симметрия, существующая между частицами с целым и полуцелым спином. Как известно, частицы с целочисленным спином (0, 1 и т.д.) подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (поэтому их и называют бозонами) а с полуцелым (1/2, 3/2 и т.д.) - статистике Ферми-Дирака (и посему именуются фермионами). В соответствии с концепцией суперсимметрии, для каждого бозона у природы имеется родич-фермион, а для каждого фермиона - бозон. Например, электронам и кваркам, спин которых равен 1/2, положены суперсимметричные партнеры "сэлектроны" и "скварки" (просим не путать со шкварками) с нулевым спином.

Возникает естественный вопрос: куда же подевались все эти многочисленные частицы-партнеры, ведь их не наблюдают ни в составе космических лучей, ни в экспериментах на самых мощных ускорителях? Ответ таков: они родились сразу после Большого взрыва, но очень быстро распались и исчезли. Точнее, распались не все - самые легкие из них оказались стабильными и поэтому сохранились до наших дней. Именно эти частицы и образуют темную материю или, как минимум, ее львиную долю.

Предсказанное распределение темной материи во Вселенной. Галактики формируются в рамках сложной системы волокнистых структур, состоящих из темной материи, обладающей большой массой. Область, показанная на рисунке, имеет поперечник около миллиарда световых лет. Иллюстрация с сайта krone.physik.unizh.ch/~moore/ Где же вести поиск таких частиц-долгожителей? Теория утверждает, что массы суперсимметричных партнеров обычных частиц должны лежать в интервале от 100 до 1000 масс протона. Коль скоро дожить до нашего времени могли лишь легчайшие из частиц этого типа, их масса должна лежать у самой нижней границы этого диапазона, иначе говоря, равняться примерно сотне протонных масс. Расчеты показывают, что именно такой должна быть масса нейтралино, суперсимметричного партнера нейтрино. Таким образом, из теории суперсимметрии вытекает, что нейтралино должны присутствовать и в ныне существующей Вселенной и вносить весомый вклад в общий фонд темной материи.

Вот эту идею и взяли за основу трое сотрудников Института теоретической физики Цюрихского университета. (Примечательное совпадение - именно в Цюрихе учился и Цвикки, только не в университете, а в Политехникуме. Еще одна деталь, которую нельзя не упомянуть в год столетнего юбилея теории относительности: Альберт Эйнштейн в 1900 г. окончил Политехникум, а пятью годами позднее получил докторскую степень в том же Цюрихском университете.) Они смоделировали процесс встречных движений нейтралино под действием силы тяготения (для вычислений был использован институтский суперкомпьютер zBox, специально приспособленный для решения космологических задач). Оказалось, что уже через двадцать миллионов лет после Большого взрыва в космическом пространстве начали возникать нейтралинные облака дискообразной и сигарообразной формы, которые окончательно сформировались еще через десять миллионов лет. С тех пор эти облака практически не менялись, поскольку нейтралино, как и другие суперсимметричные частицы, очень слабо взаимодействуют с обычной материей.

Первые объекты, сформировавшиеся в нашей Вселенной, даны в разном масштабе. Две области на врезках соответствуют 10 тысячам световых лет и размерам Солнечной системы (показан отдельный объект земной массы). Иллюстрация с сайта krone.physik.unizh.ch/~moore/ Поскольку в ходе Большого взрыва возникло великое множество нейтралино, общее количество нейтралинных облаков должно быть весьма большим. Вычисления Бена Мура (Ben Moore) и его коллег показывают, что в одной лишь нашей Галактике их не менее квадриллиона (квадриллион - миллион миллиардов, 10 в пятнадцатой степени). Типичная масса такого космического облака примерно равняется массе нашей планеты, а его диаметр в четыре тысячи раз превышает расстояние между Землей и Солнцем. Если эти скопления равномерно распределены в космическом пространстве, то наша Земля должна раз в десять тысяч лет проходить через такое облако, оставаясь внутри него примерно на полвека.

Можно ли обнаружить такие события? Темная материя потому и называется темной, что она не светится и вообще почти никак не обнаруживает своего присутствия. Поскольку масса облака по космическим масштабам очень мала и размазана по гигантскому объему (практически - по всему пространству Солнечной системы), ее не обнаружить гравитационными детекторами. Вообще-то говоря, нейтралино взаимодействуют с обычным веществом, однако настолько слабо, что даже при нахождении Земли в центре нейтралинного облака в течение суток можно ожидать лишь нескольких столкновений между нейтралино и атомными ядрами. Однако нейтралино - сама себе античастица, поэтому при взаимных столкновениях нейтралино аннигилируют и порождают ливни других частиц, в том числе и гамма-кванты. Швейцарские исследователи полагают, что такие лучи можно будет зарегистрировать с помощью орбитального гамма-телескопа, который NASA планирует запустить в 2007 г.

Новой модели могут сопутствовать некоторые интересные следствия. Ведь если темная материя не просто равномерно "размазана" по внутреннему пространству Галактики, а собрана в отдельные "комки", то теоретически сближение с очередным таким темным объектом может вызвать изменение в орбитах небесных тел Солнечной системы. Правда, согласно расчетам, возмущение орбиты какой-либо крупной планеты или спутника будет столь ничтожным, что современная техника просто не в силах это зарегистрировать. Однако совокупный эффект от множества подобных взаимодействий может стать причиной существенных отклонений от первоначальной орбиты среди некоторых комет и астероидов, принадлежащих к так называемому облаку Оорта, окружающему Солнечную систему. Напомним, что к облаку Оорта (к внутренней его части) некоторые исследователи относят и открытый совсем недавно планетоид Седну, формирование орбиты которого так и не получило пока удовлетворительного объяснения.

К тому же рассматриваемые здесь объекты могли бы стать причиной так называемого эффекта микролинзирования (отклонение фотонов от прямого пути под действием гравитации), если бы оказались на пути световых лучей от какого-нибудь компактного источника типа квазара. Однако для этого они и сами должны быть достаточно компактны...

На иллюстрациях:
1. Распределение темной материи, окружающей Млечный путь. Здесь можно видеть многочисленные небольшие ореолы, состоящие из темной материи. Картинка отображает результат шестимесячных компьютерных вычислений.
2. Предсказанное распределение темной материи во Вселенной. Галактики формируются в рамках сложной системы волокнистых структур, состоящих из темной материи, обладающей большой массой. Область, показанная на рисунке, имеет поперечник около миллиарда световых лет.
3. Первые объекты, сформировавшиеся в нашей Вселенной, даны в разном масштабе. Две области на врезках соответствуют 10 тысячам световых лет и размерам Солнечной системы (с отдельным объектам земной массы).
Иллюстрации с сайта krone.physik.unizh.ch/~moore/

Источник:
J. Diemand, B. Moore & J. Stadel
Earth-mass dark-matter haloes and the first structures in the early Universe
Nature, Vol. 433, p. 389-391 (27 January 2005)

Ссылки:
Гало темной материи с массой порядка земной как первые структуры в ранней Вселенной - Обзоры препринтов astro-ph
Earth-mass dark-matter haloes as the first structures in the early Universe - arXiv (PDF)

Алексей Левин (Вашингтон), 29.01.2005


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама



Выбор читателей