*3295. Темная материя

[Даниил Александров]

http://slon.ru/fast/future/astronomy-vpervye-izmerili-sgustok-temnoy-materii-807677.xhtml

05.07.2012, 16:54
Астрономы впервые измерили сгусток темной материи
http://slon.ru/images3/213/800000/464/807677.jpg?1341493904

В космологии, кажется, наступил период стабилизации и окончательного утверждения общепринятых теорий. На днях, когда сотрудники ЦЕРН, наконец, решили, что поймали-таки бозон Хиггса, Стандартная модель из теории официально превратилась в закон природы. Теперь очередь астрофизиков: они сумели достоверно наблюдать «скелет» Вселенной, состоящий из темной материи, и даже измерили одну из «костей».

По принятой модели, Вселенная состоит из барионной, видимой материи, темной материи, которая не вступает в электромагнитные взаимодействия (поэтому «увидеть» ее нельзя), и темной энергии. Темная энергия – неизвестной пока науке природы – составляет более 70% всей плотности Вселенной, на материю приходится все остальное. Около 80-85% массы вещества – темная материя, и только примерно 15% составляют звезды и планеты, межзвездный газ, туманности и другие видимые объекты.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Darkenergy.png
Темная материя ничего не излучает, поэтому и наблюдать ее напрямую мы не можем, только по гравитационным аномалиям: например, по скорости вращения галактик или благодаря эффекту «гравитационного линзирования». Тяжесть темной материи искривляет траекторию света, который летит к нам от звезд, в результате нам кажется, что звезды находятся не там, где надо.

«Нити» из темной материи пронизывают все пространство Вселенной, образуя сеть или своего рода скелет. На нем в местах пересечения этих нитей, где темной материи больше, скапливаются видимые космические объекты. Нити обнаружить практически невозможно, хотя на них приходится больше половины всей материи этого мира, так как их плотность недостаточна, чтобы значительно отклонить свет. И вот одну из них удалось не только достоверно обнаружить, но и измерить ее массу и протяженность.
http://www.nature.com/polopoly_fs/7.5237.1341412702!/image/A222%2B3_press%20reduced.jpg_gen/derivatives/landscape_300/A222%2B3_press%20reduced.jpg
Это массивное «плечо», которое удачным образом расположено почти точно на оси по направлению к Земле. Протяженность его 18 мегапарсек, это примерно в 6 000 раз больше, чем диаметр нашей галактики. Примерно 9% массы этого протяженного скопления вещества – горячий газ, еще 10% – звездные скопления, остальное – темная материя, собравшая вокруг себя газ и звезды.

Наблюдения позволят определить, из каких конкретно частиц состоит темная материя и в каких пропорциях: пока что полного согласия на этот счет у астрофизиков нет.

[EchoMSK]

http://www.echo.msk.ru/blog/science_in/1287580-echo/
26 марта 2014, 18:53
Передача "Наука в фокусе" теперь выходит в воскресенье после 15 часов
http://www.echo.msk.ru/files/1153428.jpg?1395845824

В ней содержится бо́льшая часть материи Вселенной, но мы не представляем себе, что это такое. Как выяснил Маркус Чаун, скрытое царство темной материи может существовать прямо у нас под носом.

Американский астроном Карл Саган (Carl Sagan) однажды сказал, что предпочел науку научной фантастике, потому что наука непривычнее. Что ж, проверим для разнообразия это научное утверждение: существует вторая галактика, занимающая то же самое место, что и наш Млечный Путь. Мы не замечаем ее, поскольку она невидима для наших телескопов, в ней даже могут быть невидимые звезды, невидимые планеты и невидимая жизнь.

Идея теневого Млечного Пути может показаться безумной, но это реальная гипотеза американских физиков, пытающихся понять невидимую, или темную, материю нашей Вселенной. «Мы считаем это важными исследованиями, поскольку они могут объяснить некоторые загадочные наблюдения и допускают проверку», — говорит Мэттью Маккалоу (Matthew McCullough) из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института (MIT) в окрестностях Бостона (США).

Концепция темной материи была предложена для объяснения ряда странных астрономических явлений. Так, звезды во внешних областях спиральных галактик, подобных нашей, обращаются слишком быстро. При такой скорости они должны были бы вылетать в межгалактическое пространство, как дети со слишком сильно раскрученной карусели. Но они не вылетают, и астрономы заключили, что это связано с гравитационным притяжением огромного количества материи, которая не испускает регистрируемого нами изучения.

Второе наблюдение, для объяснения которого используется темная материя, состоит в том, что вы читайте эти слова. Исследования космического микроволнового фона, послесвечения огненного Большого взрыва, показывают, что материя в самом начале была распределена в пространстве очень однородно. Однако в некоторых местах ее плотность была чуть выше, чем среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, чем их окружение, и быстрее притягивали к себе материю, становясь еще плотнее. Но этот процесс слишком медленный, чтобы к возрасту Вселенной в 13,8 млрд лет сформировать такие большие галактики, как Млечный Путь. Чтобы объяснить наше существование, необходимо предположить наличие большого количества темной материи, чья дополнительная гравитация значительно ускоряет формирование галактик.

Теории темной материи

На темную материю приходится 26,8% всей массы и энергии во Вселенной. Ее значительно — в пять раз — больше, чем обычного вещества, тех 4,9% барионной материи, из которой состоим мы с вами и всё вокруг нас. Вопрос в том, что она собой представляет. В предположениях не было недостатка: от черных дыр размером с холодильник, оставшихся после Большого взрыва, до реликтов будущего, чья «стрела времени» направлена в обратную сторону. Однако наиболее популярна идея о том, что темная материя состоит из пока еще не открытых субатомных частиц.

На эту роль есть много кандидатов, например аксионы, которые могли бы помочь справиться трудностями в описании фундаментального сильного взаимодействия, а также слабо взаимодействующие массивные частицы, называемые вимпами (англ. Weakly Interacting Massive Particle, WIMP). Вимпы предсказываются такими теориями, как суперсимметрия (SUSY), которые предполагают, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства — бозонов. Искомые частицы темной материи появляются в этих теориях под видом целого семейства «суперпартнеров» уже известных элементарных частиц. Самый легкий стабильный суперпартнер — нейтралино — наиболее вероятный кандидат на роль темной материи.

Но есть одна проблема. Ни одного нейтралино или другой частицы темной материи до сих пор не удалось получить даже при сверхвысокоэнергичных столкновениях на Большом адронном коллайдере. «Возможно, что-нибудь появится, когда в 2015 году ускоритель будет перезапущен с еще более высокой энергией столкновений, — размышляет Маккалоу. — Но что если ничего не обнаружится?»

Это подтолкнуло некоторых физиков к тому, чтобы попробовать немного скорректировать возможные модели темной материи. «Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц как из единственного вида лего-кирпичиков, а состоит из множества разных, — поясняет Маккалоу. — Что если темная материя тоже сложная?»

Маккалоу работал в Гарвардском университете (США) с Лизой Рэндалл (Lisa Randall), автором книги «Закрученные пассажи» и первой женщиной, ставшей пожизненным профессором теоретической физики как в Гарварде, так и в MIT. Вместе с коллегами она выдвинула гипотезу о новой форме темной материи, которая способна взаимодействовать сама с собой, однако игнорирует обычную материю. Как следствие, мы не можем определить ее присутствия.

Но самое главное, такое самовзаимодействующее темное вещество ведет себя совершенно иначе, чем обычная темная материя. Наш Млечный Путь считается состоящим из гигантского сферического вращающегося облака темной материи, в которой подмешано небольшое количество обычной материи, которое начинает сжиматься под действием гравитации. Это происходит быстрее между полюсами, чем вдоль экватора, где гравитации противостоит направленная вовне «центробежная сила». В конечном итоге образуется тонкий плоский диск, который затем фрагментируется на звезды. Это возможно лишь благодаря тому, что облаку обычной материи удается избавиться от тепла (которое поддерживает в нем давление, препятствующее гравитационному сжатию) путем излучения тепловой энергии в виде электромагнитных волн, то есть света. Принципиально важно, однако, что темная материя не способна испускать свет. Без потери энергии она не может сжаться в диск и остается сферическим облаком. В результате наша Галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звезд, погруженного в сфероидальное облако (гало) темной материи.

Однако Рэндалл и ее коллеги говорят, что придуманный ими вид темной материи может взаимодействовать сам с собой посредством сил, аналогичных электромагнитным. А значит, она должна быть способна терять энергию, испуская темные электромагнитные волны, или «темный свет». «Темная материя в таком случае может коллапсировать в тонкий диск так же, как и обычная материя, — поясняет Рэндалл. — Мы называем его дублирующим диском из темной материи».

Рэндалл не говорит обо всей темной материи. Сферическое облако хорошо объясняет скорости, с которыми звезды обращаются в нашей Галактике, так что львиная доля темной материи должна оставаться в этой форме. Но часть ее, сравнимая по массе с совокупностью видимых звезд, могла бы образовать плоский диск.

Идея дублирующего диска могла бы объяснить некоторые наблюдаемые аномалии. Например, запущенный космический гамма-телескоп «Ферми» обнаружил гамма-излучение с энергией 130 гигаэлектронвольт (ГэВ), приходящее из центра нашей Галактики. Его можно объяснить, если существует частица темной материи с массой 130 ГэВ, что примерно в 130 раз больше массы протона. Гамма-излучение тогда может возникать при аннигиляции таких частиц темной материи с их античастицами. Модель, в которой темная материя образует разреженное сферическое гало, не обеспечивает достаточной плотности, чтобы аннигиляция таких частиц объяснила происхождение гамма-излучения. «Однако в модели с дублирующим диском новая составляющая темной материи будет плотнее, и ее частицы смогут чаще находить античастицы, с которыми они могут аннигилировать», — объясняет Рэндалл.

Регистрация темной материи

В настоящее время проводится целый ряд экспериментов в попытке зарегистрировать частицы темной материи, пролетающие сквозь Землю. Поскольку темная материя практически не взаимодействует с обычной, в них используются различные атомные ядра — от кремния до ксенона, от фтора до йода — в надежде «увидеть» отдачу, испытываемую ядром при неожиданном столкновении с частицей темной материи.

В большинстве экспериментов пока ничего не зарегистрировано, несмотря на то, что Солнце, обращаясь вокруг центра Галактики, движется со скоростью 220 км/с относительно гало темной материи. «Но если часть темной материи составляет второй диск, который вращается вместе с видимой Галактикой, то именно так и должно быть, — объясняет Маккалоу. — Относительная скорость дисков из темной и обычный материи будет равна нулю, а значит, столкновения темной материи с детекторами будут слишком слабыми, чтобы их заметить».

И всё же есть один результат, который может избавить от необходимости в дублирующем диске. Хотя в эксперименте LUX (Large Underground Xenon), проводимом в заброшенной золотой шахте в Южной Дакоте (США), ничего не обнаружено, эксперимент CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) в шахте Судан в Миннесоте (США) зафиксировал три события — и все с энергией от 8 до 12 килоэлектронвольт.

Как такое может быть? Маккалоу и Рэндалл утверждают, что загадку можно разрешить благодаря еще одному допущению. Представьте себе, что частица темной материи находится в высокоэнергетическом состоянии. Когда она сталкивается с ядром кремния в CDMS, она теряет эту энергию, толкая ядро. Однако энергии, высвобождаемой в таких столкновениях, недостаточно для генерации сигнала в эксперименте LUX.

Критики могут сказать, что темная энергия не объясняет того, что мы видим, и что Рэндалл с коллегами просто добавляет к теории разные бантики. Это может напоминать то, как древние греки, обнаружив, что их теория движения планет по круговым орбитам не соответствует наблюдательным данным, стали добавлять круги к кругам (эпициклы), пока не добились соответствия.

«Я думаю, всё еще хуже, чем с добавлением эпициклов, — считает Мордехай Милгром (Mordehai Milgrom) из института Вейцмана в Реховоте (Израиль). — Это добавление эпициклов просто от нечего делать». Милгром — автор весьма спорной идеи модифицированной ньютоновской динамики (MoND), которая утверждает, что аномальные орбитальные скорости звезд в спиральных галактиках объясняются не тяготением огромного количества невидимой темной материи, а тем, что гравитация сильнее, чем предсказывал Ньютон.

В ответ на подобную критику Рэндалл просто пожимает плечами. «Мы делаем шаг вперед, чтобы понять, может ли темная материя иметь более богатую структуру, подобную обычной материи, — поясняет она. — Мы выдвигаем резонное предположение, что некоторые из ее частиц взаимодействуют».

Маккалоу допускает, что идея дублирующего диска темной материи не удовлетворяет почтенному принципу бритвы Оккама. Принцип этот утверждает, что из двух одинаково соответствующих наблюдениям конкурирующих теорий, как правило, верна более простая. «Но что если темная материя действительно сложная? — спрашивает он. — У нас нет другого выбора, кроме как принять то, что дает нам природа».

Как же можно подтвердить, что у нашего Млечного Пути есть второй диск? «Он будет влиять на гравитационное поле, воздействующее на звезды в окрестностях Солнца, — говорит Рэндалл. — Таким образом, точные наблюдения за их движениями могут обнаружить этот диск».

По сравнению с нашим второй диск может иметь другую толщину и протяженность. «Но даже если первоначально они не были параллельны, — рассуждает Рэндалл, — гравитационное притяжение между темным диском и обычным давно бы выровняло их друг относительно друга».

Существование темных электромагнитных сил позволило бы субкомпоненте темной материи сжаться в теневой диск. Этот диск мог бы затем фрагментироваться на комки звездного размера за счет «темных» эквивалентов известных сил. «Могут ли в этих комках зажечься темные звезды, будет зависеть от существования темных сильных и темных слабых ядерных сил, управляющих ядерными реакциями», — считает Рэндалл.

Обитатели тьмы?

Забавно рассуждать о том, что теневая вселенная, состоящая из темной материи, может быть даже не такой же сложной, как наша Вселенная, а намного сложнее. Быть может, там существует шесть фундаментальных взаимодействий, а не четыре, как у нас. Не может ли это объяснять, почему мы не видим никаких признаков инопланетян, несмотря на полвека активных поисков сигналов от них? Вдруг вселенная темной материи попросту намного интереснее? Не может ли быть так, что все развитые внеземные цивилизации отправляются в теневую вселенную, поскольку всё важное происходит именно там? «Вот тут мы уже действительно переходим в область научной фантастики!» — смеется Маккалоу.

Маркус Чаун (Marcus Chown) — бывший радиоастроном, автор нескольких книг, в том числе «Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной»

Изменит ли обнаружение темной материи нашу повседневую жизнь? (Опрос для блога передачи "Наука в фокусе")

[Николай Коперник]

SPe0kf-c_mI

[Валерий Анатольевич Рубаков]

http://elementy.ru/lib/25560/25567
1. Введение

Естествознание сейчас находится в начале нового, необычайно интересного этапа своего развития. Он замечателен прежде всего тем, что наука о микромире — физика элементарных частиц — и наука о Вселенной — космология — становятся единой наукой о фундаментальных свойствах окружающего нас мира. Различными методами они отвечают на одни и те же вопросы: какой материей наполнена Вселенная сегодня? Какова была её эволюция в прошлом? Какие процессы, происходившие между элементарными частицами в ранней Вселенной, привели в конечном итоге к её современному состоянию? Если сравнительно недавно обсуждение такого рода вопросов останавливалось на уровне гипотез, то сегодня имеются многочисленные экспериментальные и наблюдательные данные, позволяющие получать количественные (!) ответы на эти вопросы. Это — еще одна особенность нынешнего этапа: космология за последние 10–15 лет стала точной наукой. Уже сегодня данные наблюдательной космологии имеют высокую точность; еще больше информации о современной и ранней Вселенной будет получено в ближайшие годы.

Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представлений о структуре материи и о фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц. Сегодня мы знаем всё или почти всё о тех «кирпичиках», их которых состоит обычное вещество — атомы, атомные ядра, входящие в состав ядер протоны и нейтроны, — и о том, как взаимодействуют между собой эти «кирпичики» на расстояниях вплоть до 1/1000 размера атомного ядра (рис. 1). Это знание получено в результате многолетних экспериментальных исследований, в основном на ускорителях, и теоретического осмысления этих экспериментов. Космологические же данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих «темную материю» во Вселенной. Скорее всего, речь идет о целом пласте новых явлений в физике микромира, и вполне возможно, что этот пласт явлений будет открыт в земных лабораториях в недалеком будущем.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubak_pict_1.gif
Рис. 1. Известные элементарные частицы. Протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, сами состоят из кварков, которые сегодня считаются элементарными. В природе существуют также электроны и их более тяжелые короткоживущие аналоги — мюоны (μ) и тау-лептоны (τ). Кроме этого, в природе имеются нейтрино трех типов, vе, vμ и vτ. Нейтрино не имеют электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: в качестве иллюстрации, они пронизывают Землю или Солнце практически свободно. На рисунке не показаны фотоны и другие частицы, ответственные за взаимодействия, — глюоны, W±- и Z-бозоны.

Еще более удивительным результатом наблюдательной космологии стало указание на существование совершенно новой формы материи — «темной энергии».

Каковы свойства темной материи и темной энергии? Какие космологические данные свидетельствуют об их существовании? О чем оно говорит с точки зрения физики микромира? Каковы перспективы изучения темной материи и темной энергии в земных условиях? Этим вопросам и посвящена предлагаемая Вашему вниманию лекция.

[Валерий Анатольевич Рубаков]

http://elementy.ru/lib/25560/25561
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict2.jpg
Имеется целый ряд фактов, говорящих о свойствах Вселенной сегодня и в относительно недалеком прошлом.

Рис. 2

Вселенная в целом однородна: все области во Вселенной выглядят одинаково. Разумеется, это не относится к небольшим областям: есть области, где много звезд — это галактики; есть области, где много галактик, — это скопления галактик; есть и области, где галактик мало, — это гигантские пустоты. Но области размером 300 миллионов световых лет и больше выглядят все одинаково. Об этом однозначно свидетельствуют астрономические наблюдения, в результате которых составлена «карта» Вселенной до расстояний около 10 млрд световых лет от нас1. Нужно сказать, что эта «карта» служит источником ценнейшей информации о современной Вселенной, поскольку она позволяет на количественном уровне определить, как именно распределено вещество во Вселенной.

На рис. 2 показан фрагмент этой карты2, охватывающий относительно небольшой объем Вселенной. Видно, что во Вселенной имеются структуры довольно большого размера, но в целом галактики «разбросаны» в ней однородно.

Вселенная расширяется: галактики удаляются друг от друга. Пространство растягивается во все стороны, и чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Сегодня темп этого расширения невелик: все расстояния увеличатся вдвое3 примерно за 15 млрд лет, однако раньше темп расширения был гораздо больше. Плотность вещества во Вселенной убывает с течением времени, и в будущем Вселенная будет всё более и более разреженной. Наоборот, раньше Вселенная была гораздо более плотной, чем сейчас. О расширении Вселенной прямо свидетельствует «покраснение» света, испущенного удаленными галактиками или яркими звездами: из-за общего растяжения пространства длина волны света увеличивается за то время, пока он летит к нам. Именно это явление было установлено Э. Хабблом в 1927 году и послужило наблюдательным доказательством расширения Вселенной, предсказанного за три года до этого Александром Фридманом.

Замечательно, что современные наблюдательные данные позволяют измерить не только темп расширения Вселенной в настоящее время, но проследить за темпом её расширения в прошлом. О результатах этих измерений и вытекающих из них далеко идущих выводах мы еще будем говорить. Здесь же скажем о следующем: сам факт расширения Вселенной, вместе с теорией гравитации — общей теорией относительности — свидетельствует о том, что в прошлом Вселенная была чрезвычайно плотной и чрезвычайно быстро расширялась. Если проследить эволюцию Вселенной назад в прошлое, используя известные законы физики, то мы придем к выводу, что эта эволюция началась с момента Большого Взрыва; в этот момент вещество во Вселенной было настолько плотным, а гравитационное взаимодействие настолько сильным, что известные законы физики были неприменимы. С тех пор прошло 14 млрд лет, это — возраст современной Вселенной.

Вселенная «теплая»: в ней имеется электромагнитное излучение, характеризуемое температурой Т = 2,725 градусов Кельвина (реликтовые фотоны, сегодня представляющие собой радиоволны). Разумеется, эта температура сегодня невелика (ниже температуры жидкого гелия), однако это было далеко не так в прошлом. В процессе расширения Вселенная остывает, так что на ранних стадиях её эволюции температура, как и плотность вещества, была гораздо выше, чем сегодня. В прошлом Вселенная была горячей, плотной и быстро расширяющейся.

1 О масштабности этой задачи свидетельствует такая цифра: обзор SDSS, продолжающийся в настоящее время, уже охватывает более 300 тыс. галактик, для которых измерено как направление, так и расстояние.

2 Обзор Las Campanas, середина 90-х годов.

3 Разумеется, это не относится к расстоянию от Земли до Солнца или расстоянию между звездами в Галактике: Земля удерживается вблизи Солнца силами гравитационного притяжения, и расстояние от нее до Солнца не изменяется из-за расширения Вселенной.

[Валерий Анатольевич Рубаков]

http://elementy.ru/lib/25560/25562

Обсудим два этапа эволюции Вселенной, о которых сегодня имеются надежные наблюдательные данные. Один из них, относительно недавний — это этап перехода вещества во Вселенной из состояния плазмы в газообразное состояние. Это произошло при температуре 3000 градусов, а возраст Вселенной к тому моменту составлял 300 тыс. лет (совсем немного по сравнению с современными 14 млрд лет). До этого электроны и протоны двигались отдельно друг от друга, вещество представляло из себя плазму. При температуре 3000 градусов произошло объединение электронов и протонов в атомы водорода, и Вселенная оказалась заполненной этим газом. Важно, что плазма непрозрачна для электромагнитного излучения; фотоны всё время излучаются, поглощаются, рассеиваются на электронах плазмы. Газ, наоборот, прозрачен. Значит, пришедшее к нам электромагнитное излучение с температурой 2,7 градуса свободно путешествовало во Вселенной с момента перехода плазма—газ, остыв (покраснев) с тех пор в 1100 раз из-за расширения Вселенной. Это реликтовое электромагнитное излучение сохранило в себе информацию о состоянии Вселенной в момент перехода плазма—газ; с его помощью мы имеем фотоснимок (буквально!) Вселенной в возрасте 300 тыс. лет, когда её температура составляла 3000 градусов.

Измеряя температуру этого реликтового электромагнитного излучения, пришедшего к нам с разных направлений на небе, мы узнаём, какие области были теплее или холоднее (а значит, плотнее или разреженнее), чем в среднем по Вселенной, а главное — насколько они были теплее или холоднее. Результат этих измерений состоит в том, что Вселенная в возрасте 300 тыс. лет была гораздо более однородной, чем сегодня: вариации температуры и плотности составляли тогда менее 10–4 (0,01%) от средних значений. Тем не менее, эти вариации существовали: с разных направлений электромагнитное излучение приходит с несколько различной температурой. Это показано на рис. 3, где изображено распределение температуры по небесной сфере (фотоснимок ранней Вселенной) за вычетом средней температуры 2,725 градусов Кельвина; более холодные области показаны синим, более теплые — красным цветом4.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict3_old.jpg
Фотоснимок, изображенный на рис. 3, привел к нескольким важным и неожиданным выводам. Во-первых, он позволил установить, что наше трехмерное пространство с хорошей степенью точности евклидово: сумма углов треугольника в нем равна 180 градусов даже для треугольников со сторонами, длины которых сравнимы с размером видимой части Вселенной, т. е. сравнимы с 14 млрд световых лет. Вообще говоря, общая теория относительности допускает, что пространство может быть не евклидовым, а искривленным; наблюдательные же данные свидетельствуют, что это не так (по крайней мере для нашей области Вселенной). Способ измерения «суммы углов треугольника» на космологических масштабах расстояний состоит в следующем. Можно надежно вычислить характерный пространственный размер областей, где температура отличается от средней: на момент перехода плазма—газ этот размер определяется возрастом Вселенной, т. е. пропорционален 300 тыс. световых лет. Наблюдаемый угловой размер этих областей зависит от геометрии трехмерного пространства, что и дает возможность установить, что эта геометрия — евклидова.

В случае евклидовой геометрии трехмерного пространства общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной с суммарной плотностью всех форм энергии, так же как в ньютоновской теории тяготения скорость обращения Земли вокруг Солнца определяется массой Солнца. Измеренный темп расширения соответствует полной плотности энергии в современной Вселенной

В терминах плотности массы (поскольку энергия связана с массой соотношением Е = mс2) это число составляет

Если бы энергия во Вселенной целиком определялась энергией покоя обычного вещества, то в среднем во Вселенной было бы 5 протонов в кубическом метре. Мы увидим, однако, что обычного вещества во Вселенной гораздо меньше.

Во-вторых, из фотоснимка рис. 3 можно установить, какова была величина (амплитуда) неоднородностей температуры и плотности в ранней Вселенной — она составляла 10–4–10–5 от средних значений. Именно из этих неоднородностей плотности возникли галактики и скопления галактик: области с более высокой плотностью притягивали к себе окружающее вещество за счет гравитационных сил, становились еще более плотными и в конечном итоге образовывали галактики.

Поскольку начальные неоднородности плотности известны, процесс образования галактик можно рассчитать и результат сравнить с наблюдаемым распределением галактик во Вселенной. Этот расчет согласуется с наблюдениями, только если предположить, что помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой тип вещества — темная материя, вклад которой в полную плотность энергии сегодня составляет около 25%.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict4.jpg
Рис. 4

Другой этап эволюции Вселенной соответствует еще более ранним временам, от 1 до 200 секунд (!) с момента Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигала миллиардов градусов. В это время во Вселенной происходили термоядерные реакции, аналогичные реакциям, протекающим в центре Солнца или в термоядерной бомбе. В результате этих реакций часть протонов связалась с нейтронами и образовала легкие ядра — ядра гелия, дейтерия и лития-7. Количество образовавшихся легких ядер можно рассчитать, при этом единственным неизвестным параметром является плотность числа протонов во Вселенной (последняя, разумеется, уменьшается за счет расширения Вселенной, но её значения в разные времена простым образом связаны между собой).

Сравнение этого расчета с наблюдаемым количеством легких элементов во Вселенной приведено на рис. 4: линии представляют собой результаты теоретического расчета в зависимости от единственного параметра — плотности обычного вещества (барионов), а прямоугольники — наблюдательные данные. Замечательно, что имеется согласие для всех трех легких ядер (гелия-4, дейтерия и лития-7); согласие есть и с данными по реликтовому излучению (показаны вертикальной полосой на рис. 4, обозначенной СМВ — Cosmic Microwave Background). Это согласие свидетельствует о том, что общая теория относительности и известные законы ядерной физики правильно описывают Вселенную в возрасте 1–200 секунд, когда вещество в ней имело температуру миллиард градусов и выше. Для нас важно, что все эти данные приводят к выводу о том, что плотность массы обычного вещества в современной Вселенной составляет
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_form4.jpg
т. е. обычное вещество вкладывает всего 5% в полную плотность энергии во Вселенной.
9,595

[Валерий Анатольевич Рубаков]

http://elementy.ru/lib/25560/25563
Итак, доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии в современной Вселенной составляет5 всего 5%. Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино — около 300 нейтрино всех типов в кубическом сантиметре. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет заведомо не более 3%. Оставшиеся 90–95% полной энергии во Вселенной — «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций — темной материи и темной энергии, как изображено на рис. 5.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict5.jpg
Рис. 5

5 При этом вещества в звездах ещё в 10 раз меньше; обычное вещество находится в основном в облаках газа.

[Валерий Анатольевич Рубаков]

http://elementy.ru/lib/25560/25564
Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict6.jpg
Рис. 6. Гравитационное линзирование

Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых — гравитационное линзирование, проиллюстрированное на рис. 6.

Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. 6 они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. 6 голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Напомним, что это же число получается из сравнения теории образования структур (галактик, скоплений) с наблюдениями.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict7.jpg
Рис. 7

Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней. Это проиллюстрировано на рис. 7: по мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя. В нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества.

Что представляют из себя частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны). Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100–1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно.

Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется весьма оптимистической.

Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии — коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100–1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны со строящимся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большим адронным коллайдером (LHC), на котором будут получены встречные пучки протонов с энергией 7x7 Тераэлектронвольт. Нужно сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи — это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!

Другой путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать. Поиск в этом направлении ведется с помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict8.jpg
Рис. 8

Наконец, еще один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца (вещество для них практически прозрачно, и они способны проваливаться внутрь Земли или Солнца). Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтрино. Эти нейтрино свободно проходят сквозь толщу Земли или Солнца, и могут быть зарегистрированы специальными установками — нейтринными телескопами. Один из таких нейтринных телескопов расположен в глубине озера Байкал (НТ-200, рис. 8), другой (AMANDA) — глубоко во льду на Южном полюсе.
http://elementy.ru/images/eltpub/rubakov_pict9.jpg
Рис. 9

Как показано на рис. 9, нейтрино, приходящее, например, из центра Солнца, может с малой вероятностью испытать взаимодействие в воде, в результате чего образуется заряженная частица (мюон), свет от которой и регистрируется. Поскольку взаимодействие нейтрино с веществом очень слабое, вероятность такого события мала, и требуются детекторы очень большого объема. Сейчас на Южном полюсе началось сооружение детектора объемом 1 кубический километр.

Имеются и другие подходы к поиску частиц темной материи, например, поиск продуктов их аннигиляции в центральной области нашей Галактики. Какой из всех этих путей первым приведет к успеху, покажет время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10–9 с (одна миллиардная секунды!) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 1015 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой.

[Валерий Анатольевич Рубаков]

http://elementy.ru/lib/25560/25565
Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения6 свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергиии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума7. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями.

По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

6 Речь идет о наблюдениях сверхновых типа 1а.

7 Изменение энергии при изменении объема определяется давлением, ΔЕ = —pΔV. При расширении Вселенной энергия вакуума растет вместе с объемом (плотность энергии постоянна), что возможно, только если давление вакуума отрицательно. Отметим, что противоположные знаки давления и энергии вакуума прямо следуют из Лоренц-инвариантности.

[Валерий Анатольевич Рубаков]

http://elementy.ru/lib/25560/25566
Как часто бывает в науке, впечатляющие успехи физики частиц и космологии поставили неожиданные и фундаментальные вопросы. Мы сегодня не знаем, что представляет собой основная часть материи во Вселенной. Мы можем только догадываться, какие явления происходят на сверхмалых расстояниях, и какие процессы происходили во Вселенной на самых ранних этапах её эволюции. Замечательно, что на многие из этих вопросов ответы будут найдены в обозримом будущем — в течение 10–15 лет, а может быть, и раньше. Наше время — это время кардинального изменения взгляда на природу, и главные открытия здесь еще впереди.

[Газета.Ru]

http://www.gazeta.ru/science/2009/03/11_a_2956200.shtml
Завершающая часть интервью с академиком Анатолием Михайловичем Черепащуком
http://img.gazeta.ru/files3/200/2956200/neha.jpg
Лектор: (none) 04.06.2009, 14:37
abc.net.au

В третьей, завершающей части своего интервью академик Черепащук рассказывает о будущем астрономии. Об открытиях, которых ждут в ближайшие годы и о перспективах науки на следующий век.

Первая часть: Всемирный год астрономии.
Вторая часть: «Бери больше, кидай дальше».

– Чего вы ждёте от астрономии в ближайшие годы? Какие проблемы стоят перед наукой?

– Тёмная энергия, тёмная материя, внеземные цивилизации.

Проблема номер один – это природа тёмной энергии. Это неожиданное, потрясающее открытие – материя с отрицательным давлением, с антигравитацией. Что это такое – её микроскопическая сущность, микроскопическая структура? Вакуум из виртуальных частиц, какое-то особое поле? Пока из наблюдений вытекает, что это скорее вакуум: параметр в уравнении состояния близок к «вакуумной» –1, и по мере уточнения наблюдений становится к ней всё ближе и ближе.

Но, тем не менее, никто из физиков не имеет никаких представлений, что это такое. Академик Валерий Анатольевич Рубаков в одной из своих последних лекций сказал:

«что касается микроскопической природы тёмной энергии, то здесь у нас, у теоретиков все фантазии исчерпаны, нужны принципиально новые идеи».

Это больной вопрос, потому что тёмная энергия – это 70–75% от всей энергии Вселенной, то есть это основная часть Вселенной, и мы не знаем, что это такое.

Во-вторых, тёмная материя. С этим попроще, хотя, что это такое, тоже никто не знает. Тёмная материя тоже превалирует над обычным веществом (её в 4–5 раз больше) и составляет где-то 20% от общей плотности Вселенной. Но есть хотя бы какой-то намёк на её природу: она гравитационно скучивается, концентрируется в галактиках, в скоплениях галактик. То есть там, где много барионов, там много и тёмной материи – в отличие от тёмной энергии, которая распределена однородно.

Скорее всего, тёмная материя – это какие-то частицы. Частицы, которые не открыты ещё на ускорителях, но которые предсказываются, например, суперсимметричными теориями. Природу этих частиц мы надеемся открыть при помощи нового коллайдера. По некоторым данным, частицы тёмной материи должны иметь массу в сотни или тысячи ГэВ. В последнее время много шума насчёт результатов PAMELA и ATIC, но это пока всё косвенные намёки. Надо просто измерить параметры частиц тёмной материи – массу, заряд, спин, и сказать – вот она, частица.

Третья волнующая проблема – это, конечно, внеземные цивилизации. Уж сколько лет, с тех пор, как Шкловский начал всё это пробивать, бьются. И до сих пор мы не имеем никаких сигналов из космоса и никаких намёков на то, что даже микроорганизмы живые существуют вне Земли – даже на Марсе.

Вопрос стоит очень остро, проблема имеет и огромное мировоззренческое значение. Лет 15 назад академик Владимир Игоревич Арнольд, будучи у папы римского, попросил его – вы, говорит, Галилея оправдали – давайте теперь и Джордано Бруно оправдайте, которого вы сожгли в своё время. А папа Арнольду ответил: вы найдите сначала, докажите, что есть жизнь на других планетах, тогда мы его оправдаем. А так, церковники говорят: Бог создал жизнь на Земле, и нет больше жизни во Вселенной. И они правы по-своему – пока ничего не найдено. Со времени сожжения Бруно прошло 400 с лишним лет – и нет никаких намёков.
– А какие проблемы, по Вашему мнению, близки к решению?

– Я жду, что в ближайшее десятилетие будет получена Нобелевская премия за открытие чёрных дыр. Мы к этому подходим всё ближе и ближе. Во-первых, этих чёрных дыр уже, как собак нерезаных. Звёздных чёрных дыр – 23 штуки, для них измерены массы, даны ограничения на размеры. А сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик – уже многие тысячи.

Но самое главное – надо измерить процессы вблизи горизонта событий, только так можно доказать, что это чёрная дыра.

И прогресс в этом направлении сейчас есть, это работы последних 2–3месяцев. Вот Nature пришёл, где описываются результаты наблюдений радиоинтерферометра с базой в несколько тысяч километров на длине волны 1,3 мм. Угловое разрешение этих наблюдений – 10-5 секунды дуги, и столько же – угловой размер гравитационного радиуса чёрной дыры массой 4 миллиона солнечных масс в центре нашей Галактики. Однако из-за того, что излучение от внутренней части аккреционного диска искривляется полем тяготения чёрной дыры, эффективный размер ореола вырастает примерно до 2,6*10-5 секунды дуги, и поэтому с разрешением 10-5 секунды дуги уже можно рассмотреть внутренние части аккреционного диска. И это было сделано. Оказалось, что истинный размер самой чёрной дыры – это гравитационный радиус.

Теперь доказать, что метрика пространства-времени вблизи горизонта событий чёрной дыры соответствует уравнениям Эйнштейна, а для этого надо изучать движение частиц.

Авторы упомянутой статьи в Nature говорят, что через два года запустят новый интерферометр на длине волны уже 0,5 мм или даже 0,3 мм и с базой в 10 тысяч км – они в Австралии радиотелескоп собираются использовать. База у них будет в несколько раз больше, а длина волны в несколько раз меньше, значит разрешение, λ/D будет уже лучше 10-6 секунды. А самое главное – за счёт большего количества радиотелескопов, они смогут уже за время порядка часа накопить достаточно сигнала, чтобы смотреть переменность на таких временах. И тогда уже просто по характеру переменности мы сможем изучать движение горячих пятен вблизи горизонта событий, а по их движению – судить о том, какая там метрика пространства-времени.

Чтобы запустить новый интерферометр, потребуется 2-3 года. Ещё лет пять-семь понадобится на осмысление результатов. И я думаю, лет через 10, максимум 20 лет, будет получена Нобелевская премия за открытие чёрных дыр.

– Что это будет означать для наших представлений о Вселенной?

– Если есть чёрные дыры, то весьма вероятно, должны быть и кротовые норы. Для кротовых нор просто нужна экзотическая материя – материя с отрицательным давлением. Но она уже открыта – пожалуйста, тёмная энергия. Правда, если это вакуум, его нельзя сжать, и из чистого вакуума кротовую нору не построишь. Но если это квинтэссенция или фантомная энергия (то есть коэффициент в уравнении состояния отличен от –1), это вещество уже можно сжимать. У него отрицательное давление, но его можно сжимать, и возможна стационарная конфигурация типа кротовой норы. Ну и на отрицательном давлении магнитного поля – это известная работа Новикова, Кардашёва и Шацкого, тоже можно удержать объект от коллапса и сделать туннель в пространстве-времени вроде кротовой норы.

Так что если будут чёрные дыры доказаны, то и кротовые норы, скорее всего, должны быть. А если есть кротовые норы – то можно теоретически и практически создать машину времени, потому что кротовая нора – не что иное, как машина времени, можно туда и обратно ходить. Тут уже «философские» проблемы начинаются: как быть со временем, с причинностью.
– И последний вопрос: какой Вы видите астрономию через 100 лет. Что будет к 500-летия использования телескопа Галилеем?

– Если человечество доживёт до этого – а то видите, начинаем между собой уже грызться так, что можем уничтожить цивилизацию.

А с точки зрения астрономии через 100 лет…

Я думаю, вся астрономия будет на Луне.

Точнее, все обсерватории: Луна – идеальное место. Нет искажающей атмосферы, нет помех. Сейчас радиоастрономия страдает колоссально – все частоты заняты трансляцией, и найти полосочку для радиоастрономии всё сложнее и сложнее. А на Луне, на её обратной стороне – нет этого, нет радиопомех.

А астрономия будущего, астрономия через 100 лет – это будет астрономия инфракрасного и радиодиапазонов. Причина этого – красное смещение: Вселенная расширяется, и с ней увеличивается и длина волны излучения, испущенного когда-то. И если мы хотим проникнуть дальше в прошлое, то из-за красного смещения всё излучение смещается во всё более длинноволновую часть спектра.

Вот посмотрите на новый европейский космический телескоп имени Гершеля, аналог телескопа имени Хаббла, но с диаметром не 2,5 метра, а 3,5 метра. Он уже на ближний инфракрасный диапазон рассчитан, у него рабочая длина волны – 1 микрон. «Хаббл» делали с упором на ультрафиолет, потому что его не пропускает земная атмосфера. Но потом поняли, что информация, которая содержится в ультрафиолете, касается только ближайшего космоса. Более того, ультрафиолет сильно поглощается, поэтому даже без учёта красного смещения, вы далеко не можете уйти – межзвёздный газ всё поглощает, межгалактический газ поглощает, и так далее. А инфракрасный и радиодиапазон – это бесконечность. Плюс красное смещение. Всё заставляет нас переходить в эти диапазоны.

Астрометрия – тоже будет на Луне. Точность измерения координат уже будет лучше одной угловой микросекунды. Мы будем знать движение каждой звезды нашей Галактики! Будем знать, куда она движется, откуда она вышла – это колоссальная информация для звёздной динамики. Мы будем способны провести геометрическое измерение расстояний до всех звёзд нашей Галактики, расстояние с точностью в несколько процентов будет известно для всех её звёзд.

Более того, мы уже будем иметь тригонометрические параллаксы галактик!

Не самых удалённых, но это уже будут геометрические расстояния. А по ним уже можно будет измерять кривизну пространства-времени на космологическом уровне.

Я думаю, что будущее астрономии – это Луна, обратная сторона Луны, где не будет атмосферных искажений, не будет помех, но будут уникальные возможности и где будут расположены все телескопы. В том числе, телескопы по поиску сигналов внеземных цивилизаций – с гораздо большей чувствительностью и с гораздо большим разрешением.

Там уже будут построены базы, будут работать люди. Не зря сейчас умные страны – Китай, Япония обращают внимание на Луну. Постепенно Луну надо осваивать. Это же наш подарок судьбы! Громадная масса – сила тяжести там всего вшестеро меньше, чем на Земле, почти тот же самый режим, что на Земле – всё нормально. Нужны только эффективные средства доставки людей туда и обратно, нужно преодолеть дороговизну этого перелёта. И я думаю, за 100 лет технологии позволят нам легко это делать.

– Большое спасибо.

Беседовал Артём Тунцов.

[Лентa.Ru]

https://lenta.ru/articles/2016/04/12/dark/
08:48, 12 апреля 2016

Российские ученые приблизились к пониманию природы таинственной темной материи
https://icdn.lenta.ru/images/2016/04/11/16/20160411165740542/detail_b3640091aaf087fe51e6b0ca38471073.jpg
Фото: Globallookpress.com

Космос — это не только запуски ракет, но и большая наука, основанная на точных измерениях, атомных технологиях и терпении экспериментаторов. Одна из главных космических загадок — темная материя. О гонке за ней «Ленте.ру» рассказал в День космонавтики директор института космофизики базового вуза «Росатома», НИЯУ МИФИ Аркадий Гальпер.

«Лента.ру»: В МИФИ занимаются только прикладными исследованиями или есть место и фундаментальной науке?

Гальпер: Конечно, у нас имеются кафедры, которые создают перспективные разработки под патронажем «Росатома». Например, «ядерный тягач», способный в разы сократить время полета, например, до Марса. Однако есть в МИФИ группы, в том числе моя, занимающиеся проблемами общей физики и космологии, то есть фундаментальными исследованиями.

День космонавтики и наш праздник, праздник многих атомщиков, работающих над проектами для космической отрасли и астрофизики. 4 октября 1957 года полетел наш первый спутник, и началась эра прямых исследований в космосе.

А сейчас?

В марте 2016 года завершились наши работы по проведению прямых исследований космического излучения на приборе, получившем название PAMELA. Это устройство с магнитным полем. Положительные и отрицательные частицы отклоняются в разные стороны, что позволяет очень хорошо видеть и изучать космические частицы, приходящие к нам из Галактики от ближайших возможных источников, измерять их заряд, массу и энергию. А еще, что очень важно, — отделять частицы и античастицы. Например, электроны и позитроны, протоны и антипротоны.

Что это за прибор?

У него замечательная история! Дело в том, что в начале 1990-х годов к нам обратились исследователи из Национального итальянского института ядерной физики. Мы вместе решили провести измерение потоков космических лучей.

Мы, мифисты, давно работаем в космосе — с 1960-х годов. И к нам всегда тянулись зарубежные коллеги: вместе с итальянцами мы предложили программу «РИМ» — российско-итальянская миссия. Для института это было ново. Подготовку к нашему большому эксперименту мы начали с разработки научной аппаратуры и ее частичного испытания в космосе.

Удалось открыть что-то новое?

Нам удалось провести очень интересное исследование, изучив частицы, которые попадают в глаза космонавтам, и те видят вспышки. Это отчасти биологическая проблема. Какие-то космические частицы создают в глазах эффекты, воспринимаемые человеком как свет. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature.

Что было дальше?

С начала 2000-х годов мы занимались другим большим экспериментом. Речь идет как раз об инструменте PAMELA, который состоит из нескольких типов различного рода детекторов, регистрирующих интересные нам частицы.

Мы поставили перед собой важную физическую задачу. Дело в том, что еще в начале прошлого века возникло такое понятие как «темная материя». Когда изучали скопления галактик, то обратили внимание на то, что все они вращаются вокруг определенного «центра». Это вращение определяют гравитационные силы, и галактики, благодаря своей скорости, могут удерживаться, не падая в центр. Предположили, что в центре скопления имеется вещество, обладающее гравитационной массой и, соответственно, удерживающее за счет гравитации эти галактики вокруг себя при их вращении. Что за материя находится в этом центре, никто не знал. Ее как будто бы не было! Или она была невидимой. При этом темной материи в нашей Вселенной в несколько раз больше, чем обычной барионной!

Из чего же она состоит?

Тогда думали, что темная материя состоит из темных частиц, то есть тех, которые никоим образом не светят. Погоня за темной материей была сугубо теоретической: ученые строили предположения о массе и свойствах ее частиц.

Эти теоретические расчеты показали, что гипотетические частицы очень необычны. Во-первых, они нейтральные, то есть при возбуждении не светят, как другие частицы. Во-вторых, они массивные: в Стандартной модели им места нет. После открытия бозона Хиггса ничего нового пока не нашли. Вполне вероятным продолжением может стать открытие массивных частиц, из которых состоит темная материя. В-третьих, эти частицы обладают очень маленьким сечением взаимодействия с обычной материей. Они свободно через нее проходят, но гравитационное взаимодействие у них существует.

Откуда же они взялись?

Считается, что на ранней стадии развития Вселенной, когда она была в состоянии очень высокого энергетического возбуждения и ее температуры хватало для рождения новых частиц, эти частицы и возникли. Поскольку они плохо взаимодействовали, то дожили до нашего времени.

Возможно ли зарегистрировать эти частицы?

Это очень интересный вопрос. Если темная материя существует, значит, она имеется и в окружающем нас мире — в Солнечной системе. Ее плотность очень мала, и вероятность того, что гипотетические частицы столкнутся друг с другом, также невысока. Однако их взаимодействие приводит к очень интересному результату — появлению известных нам частиц, например электрона и позитрона. Масса этих частиц во время подобного взаимодействия передается энергии вновь рожденных частиц. Хотя гипотетические частицы вроде бы стабильны, они могут распадаться. Скорее всего, в результате получаются фундаментальные частицы, которые затем превращаются в элементарные, известные нам частицы.

Поэтому в космосе и нужно искать следы аннигиляции темной материи: среди потока космических лучей необходимо регистрировать, например, позитроны и антипротоны. То есть относительно редкие частицы, которые хоть и встречаются в космическом излучении, но крайне нерегулярно.

И вы организовали их поиск?

Да, мы решили заняться поиском античастиц. Такой эксперимент можно ставить на ускорителях, разогнав частицы до огромных энергий. Это делают, например, на Большом адронном коллайдере.

Есть еще один способ — наблюдать прямое взаимодействие тяжелых частиц темной материи с ядрами. Например, посредством приборов, состоящих из большого объема жидкого ксенона или другого благородного газа. Там тяжелая частица сталкивается с ядром, из которого состоит этот газ, передает ему часть энергии, а мы высчитываем массу частицы, исходя от отклонения ядра.

Подобные эксперименты проводятся на огромных установках, расположенных преимущественно под землей. Они называются «прямыми экспериментами». Мы пошли иным путем, начав искать в потоке космических лучей неоднородности, скажем, антипротонов там, где, казалось бы, их не должно быть. Этот метод называется «косвенным», ведь мы ищем не сами частицы, а то, что получилось в результате…

Эксперимент PAMELA задумывался именно для этого?

Безусловно. Он был направлен на то, чтобы искать эти следы в потоках позитронов, антипротонов и даже антигелия, которые могли бы возникнуть в результате аннигиляции частиц темной материи.

Удалось ли добиться успеха?

PAMELA провела в космосе около десяти лет, и это нам очень помогло. В частности, было доказано, что спектр позитронов не совпадает с нашим теоретическим представлением о количестве этих частиц, даже если принимать во внимание все известные нам факторы рождения частиц в источниках, прохождения через Галактику и попадания в нашу Солнечную систему. Если мы все это посчитаем, то увидим, что поток другой — их количество даже растет. И одно из самых первых объяснений этого эффекта, названного аномальным эффектом PAMELA, основано на аннигиляции частиц темной материи на электрон и позитрон. Его можно увидеть и на электронах, проблема в том, что их настолько много, что сделать это гораздо сложнее.

Аналогичная картина с антипротонами. И это тоже один из основных результатов эксперимента PAMELA.

И это поставит точку в поисках темной материи?

Нет, уже нашлись те, кто пытается объяснить наши результаты иначе. И это вполне логично. Тем не менее результаты PAMELA очень важны, ведь это один из случаев, потенциально указывающих на темную материю.

Также хочу напомнить, что в этом процессе аннигиляции могут родиться электроны и позитроны. А могут — и гамма-кванты! Если появляются два гамма-кванта, то энергия каждого из них практически равна массе частицы темной материи. Вокруг этого развиваются целые направления исследований. Например, действующий в России проект «Гамма-400». Вскоре в науке начнется новая эра…

Беседовал Владимир Корягин

[Алексей Старобинский]

https://postnauka.ru/video/54752
Физик о теориях, различающих темную материю и темную энергию, и современных исследованиях Вселенной
09 ноября 2015
8p9_4dJCPvw
Какие существуют теории, объясняющие различные виды материи? Как физика элементарных частиц разделяет темную материю и темную энергию? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Старобинский.

Примерно 95% общего энергетического баланса, то есть 95% от общей плотности массы энергии во Вселенной, составляют виды материи, в наземных экспериментах не открытые, и мы их называем «темными». В этом слове нет темного оттенка. Это значит, что с этими видами материи не реагируют фотоны, поэтому мы их не видим в свете. Свет через эти виды материи свободно проходит, поэтому их можно было назвать прозрачными или невидимыми. В наземной физике элементарных частиц это что-то темное мы делим на две части.

Темная материя и темная энергия. Это разделение можно провести двумя способами, и оба они дают один и тот же результат с 10-процентной точностью, что есть наблюдательная погрешность. Первый способ такой: вот мы видим, что видимая материя — протоны, нейтроны, электроны — скучивается, образуются галактики, звезды, планеты. А оказывается, что часть всего темного тоже гравитационно скучивается и движется в гравитационном поле примерно так же, как протоны, нейтроны, электроны. И эту часть называют темной материей. А другая часть гравитационно не скучивается. Ее мы называем темной энергией.

Естественная интерпретация, что темная материя — это слабо взаимодействующие частицы, но, я подчеркиваю, не участвующие в сильном, слабом, электромагнитном взаимодействии. И верхние оценки их сечения взаимодействия с видимой материей примерно на сечении, которое на 20 порядков меньше сечения взаимодействия нуклонов (протонов и нейтронов) друг с другом.

А темная энергия скорее не частица, а такое непрерывное поле. Более того, ее давление отрицательное. Пример отрицательного давления — это растянутая резинка, струна, только в этом случае давление отрицательно вдоль одного измерения — резинки или струны, а здесь оно отрицательно по всем трем направлениям. Более того, это отрицательное давление очень близко, почти равно по модулю и плотности энергии. То есть темная материя, ее тензор энергии импульса очень похож на то, что предложил Эйнштейн более 90 лет тому назад. Это космологическая постоянная Эйнштейна.

[Московский Планетарий]

7BZOloi1iXU

[Анна Сабурова]

http://www.gazeta.ru/science/2016/08/26_a_10160729.shtml
Ученые нашли галактику из темной материи
Анна Сабурова 26.08.2016, 18:24
https://img.gazeta.ru/files3/101/10161101/dragonfly-44-galaxy-pic905-895x505-97306.jpg
Pieter van Dokkum, Roberto Abraham, Gemini, Sloan Digital Sky Survey

Астрономы обнаружили галактику, на 99,99% состоящую из темной материи и почти без звезд. Как образуются такие галактики-призраки и в чем их ценность для науки, разбиралась «Газета.Ru».

Исследования галактик не перестают удивлять астрономов. Так, несмотря на значительный прорыв в технике получения глубоких изображений высокого разрешения, целый класс объектов таит в себе много еще не изученных интересных особенностей и преподносит новые сюрпризы.

Этот особенный класс — галактики низкой поверхностной яркости.

Галактики низкой поверхностной яркости — это системы, по многим параметрам схожие с «обычными» галактиками, но при этом обладающие очень низкой поверхностной яркостью даже в самых центральных областях. На данный момент уже очевидно, что галактики низкой яркости могут быть разных форм и размеров. Выделяют как карликовые, так и гигантские системы низкой яркости.

В частности, существует удивительный класс гигантских галактик низкой яркости,

характерные размеры которых превышают размеры Млечного Пути в 10 раз!

Как такие системы могли образоваться, до сих пор остается до конца не ясным. Изучение таких галактик, в частности, проводилось и российскими учеными. Новый сюрприз галактики низкой яркости преподнесли в 2014 году, когда Питер ван Доккум из Йельского университета и его коллеги обнаружили в скоплении Кома 47 ультрадиффузных галактик низкой яркости, по своим размерам сопоставимых с размерами Млечного Пути. Эти объекты обладали старым звездным населением и имели сфероидальную форму.

По своим параметрам этот класс объектов скорее напоминал карликовые сфероидальные галактики, к примеру, из Местной группы галактик вблизи М101. Но внушительные размеры найденных ультрадиффузных галактик не позволяли их причислить к карликам. Особый интерес к этим галактикам связан с тем, что, судя по экстремально низким поверхностным яркостям, они имеют весьма малую общую массу звезд. Если бы основную массу таких объектов составляло только звездное население,

они были бы разрушены приливными силами скопления.

Астрономы решили провести детальные исследования таких галактик, чтобы получить точную оценку их массы. С этой целью они получили измерения звездной кинематики одной из самых больших ультрадиффузных сфероидальных галактик выборки — Dragonfly 44. Работа была принята в Astrophysical Journal Letters.

Первый автор работы Питер ван Доккум отметил: «Очень скоро после открытия мы поняли, что эта галактика должна быть значительно массивнее, чем видно глазом. В ней настолько мало звезд, что ее бы разорвало на части, если бы что-то не сдерживало ее вместе». Кроме того, астрономы получили еще и глубокое изображение галактики. Наблюдения проводились на двух телескопах — Gemini и в обсерватории Кека. Оба телескопа расположены на Гавайях. Астрономам повезло, и наблюдения проходили при отличных погодных условиях. Для получения надежных спектральных данных ученым потребовалось 33,5 часа наблюдений, которые осуществлялись в течение шести ночей.
по теме

Оценка дисперсии скоростей звезд в 47 км/с озадачила астрономов. «Поразительно, но звезды движутся со скоростями, которые значительно превышают ожидания для столь неяркой галактики. Это значит, что Dragonfly 44 содержит в себе огромную долю невидимой массы», — говорит соавтор исследования Роберто Абрахам из Университета Торонто.

Оценка полной массы галактики оказывается близкой к массе Млечного Пути. А на долю темной материи приходится 98% в пределах радиуса, содержащего половину светимости галактики,

и 99,9%, если экстраполировать на значительно больший вириальный радиус, в пределах которого средняя плотность вещества в 200 раз превышает критическую плотность Вселенной, следующую из космологических моделей.

Как отмечают авторы, предварительный анализ данных по другим менее крупным ультрадиффузным галактикам выборки показывает меньшие значения дисперсий скоростей, что говорит о меньшей динамической массе.

Обнаружение галактик со столь высоким содержанием темной материи не ново, ранее находились карликовые галактики, также состоящие в основном из темной материи.

Кроме того, находят и гигантские галактики низкой яркости, в которых массовая доля темной материи составляет 95%. Однако работа Питера ван Доккума и соавторов вносит важный вклад в исследование формирования и эволюции галактик, поскольку этот результат довольно сложно объяснить в рамках современных представлений о формировании галактик, согласно которым в галактиках данных масс должны эффективно образовываться звезды.

Загадку о том, какой механизм стоит за образованием столь необычных объектов и как именно они потеряли газ — основное «топливо» для образования звезд, ученым еще предстоит решить. Отметим, что обнаружение подобных галактик с доминирующей темной массой должно помочь в изучении темной материи — поиск частиц темной материи можно проводить именно в этих галактиках.

[Полит. ру]

http://polit.ru/article/2017/03/16/ps_eso/
http://polit.ru/media/photolib/2017/03/16/thumbs/ps_eso1709a_1489656623.jpg.814x610_q85.jpg
ESO/L. Calçada

Новые наблюдения ученых Европейской южной обсерватории (ESO) свидетельствуют о том, что 10 миллиардов лет назад, то есть в эпоху образования большинства галактик, в массивных галактиках с активным звездообразованием преобладало «обычное» барионное вещество. Сейчас влияние таинственной темной материи на галактики гораздо больше. Неожиданный вывод о том, что в ранней Вселенной темной материи было существенно меньше, чем теперь, сделан на основании наблюдательных данных, полученных на Очень Большом Телескопе ESO. Исследование представлено в четырех статьях, одна из которых опубликована в журнале Nature. Кратко о работе ученых рассказывается в пресс-релизе ESO.

Мы видим обычное вещество Вселенной в форме ярко сияющих звезд, светящегося газа и пылевых облаков. Темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет; ее присутствие проявляется только в ее гравитационном воздействии на обычное вещество. Только существованием темной материи можно объяснить, почему внешние части близких к нам спиральных галактик вращаются быстрее, чем это теоретически определяется наблюдаемой массой обычного вещества в этих галактиках. Диск спиральной галактики совершает один оборот за время порядка сотен миллионов лет. В ядрах спиральных галактик наблюдается высокая концентрация звезд, но по мере удаления от центра галактики плотность светящегося вещества падает. Если бы масса галактики полностью определялась обычным веществом, более разреженные внешние области галактик вращались бы медленнее, чем плотные центральные области. Но наблюдения близких к нам спиральных галактик показывают, что их внешние и внутренние области вращаются примерно с одной и той же скоростью. «Плоские кривые вращения» свидетельствуют о том, что в спиральных галактиках должно присутствовать много несветящегося вещества в форме гало из темной материи, окружающего галактический диск.

Недавно международная группа астрономов под руководством Райнхарда Гензеля (Reinhard Genzel) из Института внеземной физики Общества Макса Планка в Гархинге (Германия) при помощи приемников KMOS и SINFONI на Очень Большом Телескопе ESO в Чили [2] измерила вращение шести массивных галактик с активным звездообразованием в дальней Вселенной, в эпоху, когда образовалось большинство галактик, то есть 10 миллиардов лет назад.
2KYb_l8wr0c
https://youtu.be/2KYb_l8wr0c
Результат их измерений оказался неожиданным: в отличие от спиральных галактик в современной Вселенной, внешние области этих далеких галактик вращаются медленнее, чем внутренние, что означает, что там меньше темной материи, чем предполагалось.

«Удивительно не то, что скорости вращения галактик оказались непостоянными, а то, что они уменьшаются с расстоянием от центров галактик, – говорит Райнхард Гензель, первый автор статьи в журнале Nature. – Этому может быть два объяснения. Во-первых, возможно, что в большинстве ранних массивных галактик преобладает обычное вещество, а темная материя играет гораздо менее значительную роль, чем в современной нам Вселенной. Во-вторых, диски ранних галактик, возможно, гораздо более турбулентны, чем у спиральных галактик, которые мы видим в нашем космическом окружении».

По-видимому, оба этих эффекта проявляются все в большей степени по мере того, как астрономы проникают все глубже и глубже внутрь ранней Вселенной. Получается, что спустя 3-4 миллиарда лет после Большого Взрыва газ в галактиках успел сконцентрироваться в плоские вращающиеся диски, а темная материя образовывала вокруг них сферические гало, гораздо более протяженные, чем гало вокруг нынешних галактик. И по-видимому прошли еще миллиарды лет, прежде чем темная материя сконденсировалась до такой степени, чтобы ее влияние стало сказываться на скоростях вращения внешних областей современных галактических дисков.

Такое объяснение согласуется и с тем, что, как показывают наблюдения, ранние галактики гораздо богаче газом и значительно компактнее, чем современные.

Шесть исследованных галактик принадлежат к большой выборке ста далеких галактических дисков с активным звездообразованием, изображения которых получены с приемниками KMOS и SINFONI на Очень Большом Телескопе ESO в обсерватории Параналь в Чили. В дополнение к описанным выше измерениям индивидуальных галактик, суммированием слабых сигналов от других галактик была получена средняя кривая их вращения, которая также показывает, что скорость вращения падает с увеличением расстояния от центров галактик. К тем же выводам привело и исследование 240 звездообразующих галактических дисков.

Детальное моделирование показывает, что в то время, как у современных галактик обычное вещество, как правило, составляет примерно половину массы, на самых больших красных смещениях оно полностью определяет динамику галактик.

Новый результат не ставит под сомнение тот факт, что темная материя является фундаментальным компонентом Вселенной и доминирует над обычным веществом по массе. Его значение в том, что темная материя на ранних этапах развития Вселенной была распределена в галактических дисках и вне их не так, как сейчас.

[Mega Torr]

yLZjugA3i10
https://www.youtube.com/watch?v=yLZjugA3i10
Загадка темной материи | Как устроена Вселенная (2016-2017)