В том же году британский астроном Джеймс Джинс, также исследовавший движение звёзд в нашей Галактике, пришёл к иному заключению: на каждую видимую звезду приходится две «тёмных». Далее, ученик Каптейна, нидерландец Ян Оорт в 1932 году опубликовал свою, более точную оценку плотности тёмной материи в нашей галактике, конкретно в окрестности Солнечной системы, на основании анализа вертикальных колебаний звёзд относительно плоскости Млечного пути. Он вычислил, что общая плотность вещества превышает плотность обычной видимой материи всего вдвое (так называемый предел Оорта).

               То есть плотность тёмной материи примерно равна плотности видимых звёзд и составляет 0,05 M_ʘ /пк³. Таким образом, в этот период считалось, что тёмная материя представляет собой в буквальном смысле тёмное вещество, просто не излучающее достаточно света.

               Серьёзное исследование тёмной материи, в том числе на внегалактических масштабах, фактически началось с работ Фрица Цвикки, который в 1933 году обнаружил необычно большой разброс радиальных скоростей восьми галактик в скоплении Кома (созвездие Волосы Вероники) — около 1000 км/с. И рассчитал, что для устойчивости скопления его полная масса должна быть в 400 раз больше, чем масса входящих в него звёзд:

    «Если это подтвердится, то мы придём к поразительному выводу — что количество тёмной материи гораздо больше, чем светящейся».

               Важным моментом стала работа Альберта Босмы из Гронингенского университета: в 1978 году в своей диссертации на степень доктора философии он представил пологие кривые вращения уже для 25 галактик. В этот период были сформулированы, помимо наблюдательных, и теоретические аргументы в пользу существования тёмной материи, основанные на космологических соображениях и результатах численного моделирования. Те же Острайкер и Пиблс, опираясь на работы Цвикки, показали, что без добавления массивных сферических гало галактики были бы неустойчивыми. Настроения в астрономическом сообществе к концу десятилетия отразились в обзоре американских астрофизиков Сандры Фабер и Джона Галлахера, в котором было отмечено, «что доводы в пользу невидимой массы во Вселенной очень убедительны и становятся всё убедительнее».

В 1982 году три независимые группы космологов опубликовали статьи, посвящённые теории холодной тёмной материи: группа Джеймса Пиблса, группа Джона Бонда, Алекса Салаи и Майкла Тернера, группа Джорджа Блюменталя, Х. Пагельса и Джоэла Примака. Значительную обзорную статью, посвящённую подробностям теории, в 1984 году написали Блюменталь, Сандра Фабер, Примак и Мартин Рис.

11-2-1. Физики предлагают новый взгляд на проблему поисков темной материи. Темное излучение. Справка

11-2-2. Астрономы обнаружили то, что может быть признаком аннигиляции темной материи

11-2-3. Аннигиляция темной материи Млечного пути может идти ускоренными темпами

11-2-4. Астрономы не нашли следов аннигиляции темной материи после 413 недель наблюдений

11-2-5. Распределение материи и гамма-лучей указало на аннигиляцию темной материи

11-2-6. Частицы типа аксиона не являются частицами темной материи, выяснили астрономы

11-2-7. Темная материя может быть равномернее распределена во Вселенной, чем считалось

11-2-8. Пик на графике рентгеновского фона Вселенной указывает на темную материю

11-2-9. Следы темной материи найдены в галактике Андромеды

11-2-10. Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием

11-2-11. Астрофизики считают, что темная материя должна быть «идеально черной»

11-2-12. Найдена древняя галактика, переполненная темной материей

11-2-13. Новые расчеты сняли проблему аномальной галактики Dragonfly 44

11-2-14. Разрешена загадка распределения темной материи в галактиках

11-2-15. Темная материя может заставлять Вселенную светиться ярче

               Большая часть массы во Вселенной остается непознанной. Однако, несмотря на то, что мы знаем о темной материи очень немного, общее её содержание довольно точно измерено. Другими словами, физики знают, что темная материя существует, но зарегистрировать её пока не могут.

               Однако это может быть связано с узостью нашего мышления и линейностью подходов к поискам таинственной субстанции, считает Ян Шумейкер, обладатель ученой степени доктора философии и бывший научный сотрудник Центра космологии и феноменологии физики частиц и факультета Физики, химии и фармации Университета Южной Дании, в настоящее время проживающий в США. В новом исследовании ученый и двое его американских коллег исследуют проблему обнаружения темной материи и предлагают новый подход к её поискам, основанный на обнаружении не самих частиц темной материи, а продуктов их взаимодействия – темного излучения. Исследователи показывают в своей статье, что регистрацию темного излучения способен производить существующий эксперимент Large Underground Xenon (LUX) и отмечают, что полученные при помощи этой установки в будущем научные данные помогут подтвердить или исключить их гипотезу происхождения темной материи.

               Если аннигиляция темной материи действительно имеет место в природе, это значительно сужает круг возможных источников происхождения этой таинственной субстанции.

               Как указывают авторы, которые изучали в своей работе пространственное распределение гамма-излучения близ центра Млечного пути, характер этого излучения говорит о том, что оно вызывается именно аннигиляцией частиц темной материи, наполняющих центр нашей галактики, а не связано с крупными популяциями стремительно вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами, которые также излучают в этой области электромагнитного спектра. Подтверждением этого, по словам авторов статьи, является то, что гамма-излучение, идущее от пульсаров, преимущественно расположенных в плоскости диска Млечного пути, должно быть в большей степени локализовано именно в этой плоскости, в то время как наблюдения такой картины не обнаруживают.

               Анирбан Дас (Anirban Das) вместе со своим научным руководителем доктором Басудебом Дасгуптой (Basudeb Dasgupta) рассматривали эту гипотезу, поскольку пока нет свидетельств аннигиляции темной материи – за исключением некоторых сигналов, идущих из Млечного пути, которые были замечены при помощи детекторов PAMELA и AMS02, а также космической гамма-обсерватории «Ферми» (Fermi). Если дальнейшие наблюдения подтвердят, что эти сигналы действительно относятся к аннигилирующей темной материи, при этом аналогичные сигналы в других галактиках Вселенной так и не будут обнаружены, то версия Даса и Дасгупты может стать одной из немногих гипотез, объясняющих «уникальность» Млечного пути.

               В новом исследовании показано, что «необычность» Млечного пути в отношении скорости аннигиляции темной материи может объясняться симметрией аннигилирующих частиц темной материи. Более того, в исследовании предсказывается, что темная материя состоит более чем из одного вида частиц, и взаимодействие между этими частицами осуществляется при помощи частиц небольшой массы. Гипотеза должна быть проверена дальнейшими наблюдениями.

               Существование темной материи подтверждается множеством данных по гравитационному линзированию и измерению кривых вращения галактик, однако «живьем» ее никто никогда не видел. Ученые пытаются поймать ее с помощью огромных детекторов, следят за «невидимыми» распадами частиц, ищут на коллайдерах следы гипотетических темных фотонов — однако до сих пор следов темной материи зарегистрировано не было. Неудачи заставляют экспериментаторов разрабатывать альтернативные способы поиска темной материи.

               В частности, некоторые теории предполагают, что частицы темной материи должны аннигилировать и рождать обычные фотоны, которые можно поймать с помощью детекторов. Сами по себе такие процессы могут происходить очень редко, но в галактических гало частиц темной материи должно быть много, и аннигиляция станет заметной. В результате галактики будут излучать в гамма-диапазоне, и этот сигнал можно отделить от излучения, возникающего в других астрофизических процессах, и зарегистрировать.

               Группа ученых под руководством Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) использовала этот гипотетический процесс для поиска темной материи. Исследователи сравнили рассчитанный поток с экспериментальными данными, собранными телескопом Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) за период с августа 2008 по июль 2016 года. В течение всего этого периода телескоп регистрировал гамма-излучение в диапазоне энергий от 502 мегаэлектронвольт до 251 гигаэлектронвольта.

               В результате исследователи получили ограничение на сечение аннигиляции гипотетических частиц с массами от десяти до десяти тысяч гигаэлектронвольт. Поскольку остаточный поток гамма-излучения оказался небольшим, ограничение получилось очень сильным.

               Ранее ученые уже исследовали с помощью телескопа Ферми аннигиляцию темной материи, образующей гало, которые окружают карликовые сфероидальные галактики. Такие галактики содержат большое количество темной материи (много больше, чем масса входящих в их состав звезд), а потому рассчитанные с их помощью ограничения на сечение аннигиляции частиц темной материи немного точнее, чем результаты новой работы. С другой стороны, данные измерений карликовых галактик подвержены большим систематическим ошибкам, а новая работа проверяет этот результат независимым способом.

               В конце ноября прошлого года китайская космическая обсерватория DAMPE с хорошим разрешением и низким уровнем шума измерила энергетический спектр космических электронов и позитронов. Это позволило подтвердить «провал» на энергиях больше одного тераэлектронвольта и нащупать резкий «всплеск» на энергии около 1,4 тераэлектронвольт, который может указывать на аннигиляцию или столкновение частиц темной материи. Или оказаться статистической флуктуацией — пока что DAMPE еще не успел собрать достаточно данных, чтобы исключить такую возможность.

               Ряд астрономических наблюдений показывает, что помимо известного вещества во Вселенной присутствует и компонент другой природы, получивший название темной материи. Согласно наиболее популярным гипотезам, темная материя состоит из частиц с массами порядка протона или больше.

               Некоторые теории устройства темной материи предполагают, что ее частицы могут аннигилировать при реакции друг с другом. В таком случае они должны превращаться в пары других частиц, в том числе фотонов высоких энергий. Поиски подобных сигналов продолжаются уже несколько лет, но убедительных данных пока получено не было.

               Одно из наблюдательных указаний на существование темной материи заключается в существенно большей гравитационной массе галактик и их скоплений, чем можно предположить на основе содержащихся в них звезд. Такой вывод можно сделать, изучая искривление лучей света от гравитационного линзирования.

               Группа ученых при участии Симона Аммаццалорсо (Simone Ammazzalorso) из Туринского университета провела сравнение карты слабого линзирования, полученной в рамках обзора DES, и распределения фоновых гамма-источников по данным космического телескопа «Ферми». Оказалось, что положение гравитационных линз, за которое в первую очередь должна отвечать темная материя, коррелирует с координатами высокоэнергетических квантов света. Авторы отмечают, что другие авторы ранее пытались найти подобный сигнал с использованием других данных, но ни одной группе исследователей этого не удалось.

               Анализ показал, что большая часть сигнала приходится на небольшие угловые масштабы (менее 0,3 градусов) и высокие энергии. Такое влияние проще всего объяснить присутствием фоновой популяции точечных источников с жестким спектром (крутой зависимостью потока от частоты) с показателем порядка 1,8. На роль таких объектов подходят блазары — активные ядра галактик.

               Также астрономы обнаружили менее статистически значимую корреляцию на бóльших угловых масштабах.. Оказалось, что со статистической значимостью около трех стандартных отклонений в сигнале присутствует вклад аннигиляции частиц темной материи с массами 65 ± 25 гигаэлектронвольт.

               Итоговая значимость сигнала темной материи не очень велика. Также не исключено, что популяции тусклых высокоэнергетических источников отличаются по параметрам от более ярких известных. В таком случае сделанные оценки необходимо корректировать.

               ALP-частицы, предположительно, формируются в результате определенных квантовых взаимодействий и имеют необычное свойство, которое может быть измерено при прохождении этими частицами сквозь мощные магнитные поля: при определенных условиях «невидимые» во всех других случаях ALP-частицы могут трансформироваться в фотоны.

               Для проверки этой идеи физики во главе с Мануэлем Мейером, сотрудником кафедры физики Стокгольмского университета, Швеция, проанализировали в новом исследовании гамма-излучение, идущее со стороны яркой галактики под названием NGC 1275, расположенной в скоплении галактик Персей, на расстоянии около 240 миллионов световых лет от нас. Пространство между этой галактикой и Землей пронизывают мощные магнитные поля, поэтому в случае существования флуктуаций между состояниями ALP-частицы и фотона, такие фотоны света должны быть обнаружены при наблюдениях излучения галактики NGC 1275.

               Однако, проведя анализ архива данных наблюдений, выполненных при помощи космического телескопа НАСА «Ферми», исследователи не обнаружили таких осцилляций.

В дальнейшем исследователи рассчитывают собрать больше данных при помощи космической обсерватории «Ферми», однако в целом похоже, что частицы типа аксиона не взаимодействуют по этой предполагаемой схеме, либо не существуют вовсе.

               Международная команда исследователей использовала данные, полученные при помощи обзора неба Kilo Degree Survey (KiDS), для изучения гравитационного влияния крупномасштабных структур Вселенной на свет, идущий к Земле от 15 миллионов далеких галактик. Эти результаты противоречат ранним результатам, полученным при помощи миссии «Планк» (Planck).

               Группа астрономов во главе с Хендриком Хилдебранндтом (Hendrik Hildebrandt) из Боннского университета, Германия, в новом исследовании произвела на основе анализа снимков, полученных в результате проведения обзора неба KiDS, наиболее точные на сегодняшний день эффекта, известного как космический сдвиг (cosmic shear). Этот эффект представляет собой слабое гравитационное линзирование, при котором свет, излучаемый далекими галактиками, слегка искажается из-за гравитационного влияния больших масс материи, лежащих на его пути к Земле.

               Согласно результатам измерения этого эффекта команда Хилдебрандта получила, что равномерность распределения материи во Вселенной оказалась значительно более высокой, чем по данным, полученным ранее при помощи спутника «Планк».

_{astronews.ru, 5 февраля 2017}

_{https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=9380}

               Обнаружить гравитационное действие темной материи несложно, например, наблюдая за движением галактик или искажением света, проходящего мимо галактических скоплений. Однако в прямых экспериментах, предполагающих, что электроны или атомные ядра должны рассеиваться на частицах темной материи (пусть и очень слабо), она до сих пор себя не проявила.

               В данной работе физик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) предложил объяснить отсутствие прямых наблюдений темной материи тем, что рядом с Землей ее попросту нет. Для этого ученый предположил, что взаимодействие между частицами темной и обычной материи осуществляется посредством бозона с очень маленькой массой (порядка 10⁻¹⁴ электронвольт), так что между этими частицами возникает сила отталкивания, которая имеет радиус действия, сравнимый с радиусом Земли. Такой подход к описанию взаимодействий используется в теоретической физике с тех пор как Юкава объяснил взаимодействие между адронами с помощью пиона (только его масса составляет примерно 10⁸ электронвольт, и радиусы соответствующих сил получаются в 10²² раз меньше).

               В результате вокруг Земли возникает эффективный потенциал, в котором частицам темной материи энергетически невыгодно находиться близко от планеты. Казалось бы, они все еще могут преодолеть этот потенциал, если имеют достаточную кинетическую энергию. Однако максимально возможная кинетическая энергия частиц оказывается равной примерно 200 мегаэлектронвольт. Это намного меньше высоты возникающего потенциального барьера (~10 гигаэлектронвольт), поэтому преодолеть его частицы не могут.

               Впрочем, нужно иметь в виду, что статья физика является чисто теоретической и предполагает только один из способов объяснить неудачи экспериментов по прямому детектированию. Более того, в этой статье теоретик не приводит никаких аргументов в пользу существования такой эффективной отталкивающей силы (кроме невероятно малых значений для сечения взаимодействия, полученных в экспериментах) и не вычисляет массу предложенного бозона каким-либо независимым способом. Тем не менее, экспериментально проверить эту гипотезу в принципе можно. Например, учет этого взаимодействия должен привести к поправкам при гравитационном линзировании на скоплениях галактик. Кроме того, если масса бозона достаточно мала и радиус действия сил оказывается сравним с радиусом орбиты Земли, в течение года число прямых регистраций рассеяния частиц темной материи на нуклонах будет изменяться, и эту зависимость можно померить экспериментально.

               В настоящее время ученое сообщество занимается поиском так называемой темной материи, но пока конкретные результаты исследовательской работы не получены. Ричард Мэсси, представляющий Даремский университет в Великобритании, заявил, что почти все новые данные, которые ученые получают о темной материи, противоречат друг другу.

               Это приводит к тому, что фактически обнуляется вся предыдущая исследовательская работа, которая проводилась по темной материи до получения новых данных. Если темная материя в обозримом будущем так и не вступит в контакт с видимой Вселенной, то ученые не смогут получить нужные им данные для построения модели существования такой структуры.

               В течение длительного времени ученое сообщество было уверено, что наша Вселенная состоит только из той материи, которую мы можем наблюдать. Такая материя структурно состоит из звезд, туманностей, галактик, скоплений пыли и черных дыр. Однако в ходе наблюдения за скоростью перемещения звезд в ближайших к нам галактиках было установлено, что звезды движутся с такой гигантской скоростью, которая более чем в десять раз превышает расчеты, проводимые на базе масс всех космических светил.

               Именно тогда была высказана гипотеза о существовании так называемой темной материи – загадочной структуры, на долю которой приходится до 75% массы всей материи в нашей Вселенной. То есть получается, что в среднем, на территории каждой галактики примерно в десять раз больше темной материи, которая удерживает звезды в пределах этой зоны и не позволяет им переместиться в другую галактику.

               Все ученые уже признали факт существования темной материи, однако не могут выработать единую концепцию относительно механизма гравитационного воздействия материи на звездные скопления. Команда специалистов во главе с Ричардом Мэсси изучила данные с космического телескопа «Хаббл» о галактическом скоплении Aball 3827, находящемся на расстоянии около 1,4 миллиарда световых лет от Земли в созвездии Индейца. Изучив снимки с «Хаббла», специалисты установили, что частицы темной материи все же взаимодействуют друг с другом.

               Эти данные были перепроверены с помощью телескопа ALMA в чилийской пустыне Атакама. Было установлено, что материя не только взаимодействует со звездами, но и ее частицы взаимодействуют друг с другом. А это говорит только об одном, что получены новые результаты, которые могут разрушить всю исследовательскую работу за прошлые годы по изучению темной материи. Мэсси считает, что темную материю обнаружить практически невозможно, так как фактически она является идеально черной.

               Темная материя из-за слабого взаимодействия между частицами ее присутствие выявляется только на астрономических масштабах. Согласно Санчесу Алмейде, распределение темной материи следует принципу максимальной энтропии (что эквивалентно «максимальному беспорядку», или «термодинамическому равновесию»), то есть темная материя пребывает в своем наиболее вероятном состоянии. Для достижения этого «максимального беспорядка», в котором состояние темной материи характеризуется уравнением, связывающим температуру, давление и плотность и напоминающим уравнение состояния газа, частицы темной материи должны эффективно сталкиваться друг с другом. Однако механизм достижения темной материей этого равновесного состояния до сих пор остается загадкой. Согласно авторам статьи, если бы частицы темной материи эффективно сталкивались друг с другом, это бы рассказало очень многое о природе темной материи и позволило бы частично разрешить проблему ее происхождения.

               Максимум энтропии темной материи был обнаружен в карликовых галактиках, имеющих повышенное отношение количества темной материи к общему количеству материи, по сравнению с более массивными галактиками, поэтому в таких галактиках легче рассмотреть влияние изучаемого принципа, отмечает Санчес Алмейда. Однако ученые ожидают, что такое поведение является общим для темной материи в составе любой галактики.

               Как показывают авторы работы, распределение темной материи в состоянии термодинамического равновесия характеризуется пониженной плотностью центральных областей, что имеет большое значение для практической астрономии при интерпретации результатов гравитационного линзирования или создании экспериментов по обнаружению темной материи в результате ее самоаннигиляции.

               Межзвездное пространство темно, но не черно. Кроме видимых источников нельзя забывать о реликтовом излучении, светится пыль, создавая инфракрасный фон Вселенной, регистрируется и космический фон в оптическом диапазоне. Предполагается, что его создают источники, недоступные для прямого наблюдения: например, звезды и галактики, расположенные далеко.

               Несколько лет назад космический зонд New Horizons пересек орбиту Плутона и смог рассмотреть оптический фон в деталях, которые недоступны никаким другим инструментам. Оказалось, что его излучение вдвое ярче, чем можно предсказать с помощью существующих теорий и моделей. Теперь астрофизики из Университета Джонса Хопкинса выдвинули гипотезу о том, что избыток излучения может быть связан с темной материей.      Существует множество гипотез, предсказывающих свойства частиц темной материи. Среди кандидатов —аксионы, которые могут быть крайне легкими и многочисленными. Теоретически их масса должна быть на много порядков меньше, чем у крупных бозонов, а при распаде они должны излучать пару фотонов. Поиск аксионов или создаваемого ими излучения продолжается давно, но до сих пор не дал никаких результатов.

               Авторы новой статьи предполагают, что обнаружить их можно в межзвездном оптическом фоне. По расчетам ученых, избыточное излучение может возникать из-за распада аксионов в экстремально мощном магнитном поле, при массе частиц в пределах 8-20 электронвольт. Это намного больше, чем предсказывают некоторые теории, — сотые и тысячные доли электронвольт. Для сравнения, масса электрона составляет около 0,5 мегаэлектронвольта.

Темная материя необходима для объяснения кривых вращения и гравитационного линзирования на галактиках с «недостающей» массой, и большинство физиков уверены в ее существовании. К сожалению, в экспериментах по прямому детектированию частицы темной материи до сих пор не были найдены. Это заставляет физиков задумываться о природе темной материи, а также искать альтернативные способы ее детектирования.

               Например, в новой статье физики из Калифорнийского и Нотр-Дамского университетов предложили искать темную материю с помощью нейтронных звезд. Из-за огромной силы притяжения такие звезды должны очень эффективно захватывать частицы — поток темной материи, падающей на типичную нейтронную звезду, оценивается приблизительно в 25 грамм в секунду. Из-за этого нейтронные звезды должны заметно разогреваться, и наблюдая за ними в инфракрасном диапазоне, можно определить сечение взаимодействия частиц обычной и темной материи.

               Стоит отметить, что на данный момент у астрономов нет инструментов, с помощью которых можно было бы измерить температуру нейтронных звезд и увидеть предсказанное авторами статьи разогревание. Тем не менее, инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» сможет выполнить такие измерения. В этом случае наблюдения уже за одной-единственной нейтронной звездой будет достаточно, чтобы уточнить величину сечения взаимодействия частиц обычной и темной материи.

               В ноябре прошлого года физик-теоретик из Брукхейвенской национальной лаборатории предложил объяснить неудачи экспериментов по прямому поиску темной материи тем, что частицы темной материи обходят Землю стороной, и детектировать попросту нечего. В своей статье он рассматривает гипотетическую силу отталкивания, которая быстро затухает (экспоненциально) при удалении от массивных объектов и становится незаметной на масштабах галактик, но не дает частицам темной материи приблизиться к таким телам, как Земля или Солнце. Если гипотеза физика верна (а подтверждений у нее пока что нет), работа американских физиков не имеет смысла, поскольку темная материя не будет падать на нейтронные звезды и разогревать их.

               В связанном состоянии (внутри атомного ядра) нейтроны могут жить неограниченно долго, однако свободные нейтроны быстро распадаются. Как правило, продуктами такого распада выступает протон, электрон и электронное антинейтрино.

               Время жизни нейтрона можно измерить двумя легко реализуемыми на практике способами. В первом типе экспериментов ученые охлаждают частицы до низкой температуры, помещают их в гравитационную ловушку и измеряют, как число нейтронов в ловушке N зависит от времени. Во втором типе экспериментов физики получают пучок нейтронов и измеряют, сколько в нем содержится протонов, образовавшихся в результате бета-распада. Это позволяет определить скорость распада, а следовательно, время жизни нейтрона.

               Но результаты измерений, выполненных различными способами, отличаются почти на десять секунд.

               Причинами подобного расхождения могут быть как систематические ошибки, упущенные из виду сразу несколькими группами экспериментаторов, так и фундаментальные механизмы, указывающие на физику за пределами Стандартной модели.

               Физики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предлагают объяснить расхождение между результатами различных экспериментов с помощью темной материи. В самом деле, в «пучковом» способе предполагается, что в результате распада сто процентов нейтронов превращается в протоны плюс еще какие-нибудь менее массивные частицы (фотоны, нейтрино и так далее). Если же небольшая часть этих распадов будет происходить по «невидимому» каналу, то есть будет содержать в качестве конечных продуктов частицу темной материи, очень слабо взаимодействующую с веществом, то скорость распада занижается, и экспериментаторам кажется, будто нейтроны живут немного дольше.

               Хотя статья физиков в Physical Review Letters вышла только на прошлой неделе, на сайте препринтов arXiv.org она была опубликована еще 3 января 2018 года. Поэтому несколько групп ученых уже успели применить идеи Форнала и Гринштейна в своей работе. В частности, группа исследователей из Америки и Франции — однако им так и не удалось зарегистрировать заметного сигнала, что исключает образование долгоживущих частиц темной материи в ходе распадов. Другие группы рассмотрели, как «невидимые» распады будут сказываться на эволюции нейтронных звезд — оказалось, что если бы такие распады действительно происходили, масса звезд быстро бы уменьшалась. Это противоречит наблюдениям; то есть в нейтронных звездах «невидимые» распады запрещены.

               Свободный протон стабилен с высокой степенью достоверности: в Стандартной модели время его жизни неограниченно, а альтернативные теории предсказывают время, много большее возраста Вселенной. Например, в наиболее простых теориях суперсимметрии (сокращенно SUSY) время распада протона составляет примерно 10³⁰÷10³⁶ лет, а экспериментально измеренное детектором Super-Kamiokande ограничение снизу достигает 10³⁴ лет. Это на 25 порядков превышает возраст Вселенной, примерно равный 10⁹ лет. С другой стороны, нейтрон, масса которого больше массы протона, легко распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (бета-распад). Из-за этого нейтроны могут жить неограниченно долго только внутри атомного ядра, а время жизни свободных частиц не превышает 15 минут.

               Тем не менее, ученые до сих пор не могут точно сказать, чему равно это время. Эксперименты по прямому измерению времени жизни частицы расходятся. Например, эксперименты с нейтронами, помещенными в ловушку с бутылочным потенциалом, приводят к значению 879,6±0,6 секунд, а оценка времени по содержанию протонов, образовавшихся в пучке нейтронов в результате бета-распада, дает величину 888±2 секунды.

               Чтобы объяснить это расхождение, в начале этого года физики-теоретики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предположили, что в части распадов нейтрона рождается не протон, а частица темной материи. Чтобы зарегистрировать такие частицы, нужно строить специальные сверхчувствительные установки, а через стандартные детекторы, которые ученые используют в экспериментах по определению времени жизни, темная материя проходит практически незаметно. В результате число распадов, происходящих в пучке, оказывается недооценено, а кажущееся время жизни нейтрона растет. Одно из предсказаний модели Форнала и Гринштейна — существование «наполовину видимых» каналов распада, в которых образуется как частица темной материи X, так и фотон, которые можно увидеть на практике.

_{Сайт arXiv.org , 2018}

_{Чжицзин Тан}

_{https://arxiv.org/abs/1802.01595}

               В вакууме электромагнитные волны (свет) распространяются со скоростью около 3×10⁸ метров в секунду, которая одновременно является наибольшей возможной скоростью в природе. Тем не менее, в прозрачной среде скорость света снижается из-за взаимодействия с электромагнитными полями частиц. Грубо говоря, в среде электромагнитные волны постоянно рассеиваются, поглощаются и переизлучаются, а потому их эффективная скорость снижается. Кроме того, в среде, в отличие от вакуума, электромагнитные волны постепенно затухают. При прохождении через метровый слой идеально чистой воды интенсивность света падает на 1,5 процента, а после стометрового слоя — на четверть.

               Что-то похожее происходит и с гравитационными волнами, которые представляют собой колебания кривизны пространства-времени. В пустом пространстве, которое не заполнено частицами и не искажается полями звезд или других массивных объектов, гравитационные волны свободно движутся со скоростью света в соответствии с предсказаниями ОТО. Однако в среде гравитационные волны должны постепенно затухать, поскольку колебания метрики будут «толкать» и разгонять частицы, расходуя на это энергию волны. В середине прошлого месяца группа индийских физиков-теоретиков показала, что скорость этого затухания пропорциональна вязкости среды, в которой распространяются волны, если ее можно рассматривать как неидеальную жидкость. Скорость волн при этом не меняется. Это позволило ученым оценить вязкость межзвездной среды, используя данные наблюдений группы LIGO/Virgo.

               Тем не менее, в новой статье американские физики-теоретики Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) не соглашаются с этим результатом, замечая, что межзвездную среду нельзя описывать как жидкость. В самом деле, средняя концентрация атомов водорода в межзвездной среде оценивается одной частицей на кубический сантиметр, что при характерных размерах атома дает длину свободного пробега порядка 10¹¹ километров. Это существенно превышает длины зарегистрированных гравитационных волн, находящиеся в промежутке от 300 до 1500 километров. То же самое можно сказать и про длину свободного пробега частиц темной материи. Они предложили рассматривать космическую материю как бесстолкновительный газ и проверили, как гравитационные волны ведут себя на его фоне.

               Неожиданно оказалось, что в рассмотренной модели затухание волн не происходит — вместо этого скорость гравитационных волн уменьшается на небольшую величину, пропорциональную плотности материи и длине волны. Более того, это изменение настолько мало, что измерить его даже в далеком будущем не представляется возможным. Для гравитационной волны с наибольшей возможной длиной волны, сравнимой с радиусом видимой Вселенной, это изменение составляет менее одной миллионной от скорости света, а для зарегистрированных обсерваториями LIGO/Virgo волн — менее 10⁻⁴³ от скорости света. Так что в настоящее время темная метрия не может оказать заметного эффекта на распространение гравитационных волн.

               Но на ранних этапах жизни Вселенной, когда темная материя двигалась с релятивистскими скоростями, она могло более заметно сказываться на распространении гравитационных волн. Пересматривая используемые приближения и, заново решая уравнение, ученые получили, что это действительно так, и первичные гравитационные волны могут нести в себе информацию о состоянии вещества на ранних этапах — например, о константах связи и плотности энергии, которые входят в выражения для фазового сдвига и закон дисперсии. К сожалению, первичные гравитационные волны имеют низкую частоту и должны были подавляться на более поздних этапах эволюции Вселенной.

               Наблюдения группы LIGO и присоединившейся к ней в августе прошлого года обсерватории Virgo позволяют ученым подробно исследовать гравитационные волны и проверить, существуют ли необычные эффекты, которые предсказывают теории за пределами Стандартной модели и Общей теории относительности. Например, с помощью этих наблюдений физикам удалось установить ограничения на массу гравитонов, скорость гравитационных волн, размерность и модуль упругости пространства-времени, в котором мы живем. Кроме того, в будущем, когда точность гравитационных детекторов вырастет, с их помощью можно будет отличить экзотические компактные объекты от черных дыр и подтвердить существование первичных черных дыр.

               На протяжении трех последних десятилетий поиски темной материи были сфокусированы на частицах-кандидатах, известных как «слабо взаимодействующие массивные частицы», или ВИМПы (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). ВИМПы долгое время считались идеальными кандидатами на роль частиц темной материи, поскольку они, с одной стороны, могли быть произведены в ранней Вселенной в требуемом теорией количестве, а с другой стороны, помогали разрешить важные проблемы физики элементарных частиц, такие как большое расхождение между масштабом энергии слабого и гравитационного взаимодействий.

               И хотя это решение 30 лет назад казалось вполне естественным, тем не менее, никакие из экспериментов, проведенных в течение последних 30 лет, не выявили убедительные доказательства существования ВИМПов. Бертоне и Тэйт считают, что наступает время расширить и диверсифицировать экспериментальные стратегии, «не оставляя при этом камня на камне».

               Уникальность настоящего времени для кампании по поискам темной материи состоит в том, что сегодня уже разработан ряд методов, позволяющих значительно расширить возможности этих поисков. Бертоне и Тэйт, в частности, указывают на астрономические обзоры неба, в ходе которых крохотные вариации формы галактик, связанные с изменением формы гало из темной материи, окружающих эти галактики, или гравитационных искажений потоков света, идущего со стороны галактик, могут быть использованы для получения новых сведений о природе темной материи. Кроме того, считают Бертоне и Тэйт, значительную поддержку при поисках темной материи могут оказать наблюдения гравитационных волн – впервые успешно проведенные учеными в 2016 г. Объединение этих методов с традиционными методами поисков частиц темной материи в ускорителях частиц может дать возможность совершить прорыв в этом направлении в ближайшем будущем.

  Ученые из Университета Суррея, Университета Карнеги – Меллона и Швейцарской высшей технической школы Цюриха искали признаки темной материи в центрах ближайших карликовых галактик – маленьких, тусклых галактиках, обычно вращающихся вокруг более крупных галактик, вроде Млечного пути. В них может содержаться информация, которая в дальнейшем может помочь нам лучше понять природу темной материи.

               Считается, что Вселенная в основном состоит из темной материи. Однако, из-за того, что она не взаимодействует со светом таким же образом, как это делает обычная материя, ее можно наблюдать только посредством ее гравитационных эффектов. Тем не менее, ключ к ее изучению может заключаться в звездообразовании в карликовых галактиках.

               Никто точно не знает, что собой представляет темная материя; эта таинственная субстанция не излучает света, поэтому ее невероятно трудно изучать. Исследователи делают вывод о наличии темной материи, исходя из ее гравитационного влияния на звезды и галактики. Физики предлагали различные элементарные частицы-кандидаты на роль частиц темной материи, включая аксионы, слабо взаимодействующие массивные частицы (ВИМПы), а также «стерильные нейтрино». Однако, согласно другим гипотезам, темная материя может состоять из более крупных объектов, имеющих массу свыше одного грамма. Эти гипотетические макроскопические объекты, состоящие из темной материи, или «макро», могут быть экстремально компактными и иметь плотность вещества, сравнимую с плотностью атомных ядер. Если это так, то для обеспечения необходимой плотности распределения массы темной материи во Вселенной требуется отнюдь не много «макро» - и это может объяснять сложность их обнаружения.

               В новом исследовании ученые во главе с Джагджитом Сингхом Сидху (Jagjit Singh Sidhu), студентом докторантуры Университета Кейс Вестерн Резерв, США, указали на красноречивые «детекторы» макро из темной материи – человеческие тела.

               Макро, если они существуют, вероятно, движутся сквозь пространство со скоростями порядка 900 000 километров в час по отношению к нашей Солнечной системе. Если такое макро пройдет сквозь гранитную столешницу, то оно испарит часть материала, и след от его прохождения будет виден даже после того, как камень вновь затвердеет. Аналогичное прохождение макро сквозь человеческое тело привело бы к очень неприятным последствиям для организма, рассуждают авторы работы, поэтому отсутствие зарегистрированных обращений позволяет наложить определенные ограничения на размер и массу гипотетических макрообъектов из темной материи. В частности, это позволило исключить существование «крупных и легких» макро: так, макро размером свыше одного микрона (1/1000 миллиметра) и/или массой менее 50 килограммов, вероятно, составляют лишь небольшую долю от общего количества макрообъектов из темной материи, делает вывод команда Сидху.

               При анализе ряда астрономических наблюдений с учетом только известных физических законов и видов вещества могут возникать несоответствия: например, проблема кривых вращения галактик. Для их объяснения ученые выдвигают различные теории, которые обычно называются моделями темной материи. Большинство из них предполагает, что темная материя — это новый компонент Вселенной, а состоит она из частиц без электромагнитного взаимодействия. В таком случае частицы темной материи могут формировать сгустки — подобно тому, как обычная материя собирается в галактики.

               Многие предложенные варианты темной материи дают одинаковые предсказания для величин, которые сейчас можно проверить достоверно: например, параметры галактической эволюции. Отличить их можно, например, при помощи поиска маломассивных объектов из темной материи: в некоторых моделях образование небольших структур затруднено, а в других подобных ограничений нет. Пока что у астрономов, однако, данных для этого недостаточно.

               С помощью «Хаббла» американские астрономы под руководством Анны Ниренберг (Anna Nierenberg) из Лаборатории реактивного движения NASA детально рассмотрели восемь квазаров, свет которых был искажен гравитационным линзированием, в результате чего каждый наблюдался в виде нескольких изображений. Основными преломляющими свет телами были массивные галактики, но положения и относительные яркости изображений квазаров указали на присутствия невидимых объектов с массами порядка 10⁸ солнечных и меньше.

               Объекты для наблюдения были выбраны из каталогов таким образом, чтобы их свет формировал конфигурацию креста Эйнштейна, то есть четыре отдельных источника, — так происходит только в случае очень близкого попадания преломляющего объекта на луч зрения. Такая ситуация позволяет с высокой точностью определить массу и размер искажающих свет объектов, но в случае изученных квазаров моделирование не смогло воспроизвести наблюдаемую конфигурацию при учете лишь одного крупного источника тяготения, однако добавление более мелких позволяло воспроизвести наблюдаемую картину.

  Хотя эти экзотические частицы состоят из большего числа кварков, чем протоны, на самом деле гексакварки намного меньше по размерам, чем хорошо знакомые нам частицы. Гексакварки относятся к бозонам, и это означает, что множества гексакварков d* могут формировать структуры, отличающиеся от тех структур, которые образуют протоны и нейтроны.

               Согласно Михаилу Башканову с кафедры физики Йоркского университета, Великобритания, гексакварки могли конденсироваться, формируя темную материю, в необычных условиях сразу после Большого взрыва.

               В своем исследовании Башканов и его коллега Дэниэл Уоттс (Daniel Watts) показывают, что в ранний период развития Вселенной гексакварки d* могли при остывании формировать то, что называют конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC).

               Существует множество предположений о форме, в которой могла бы существовать темная материя: от легчайших стерильных нейтрино до тяжелых вимпов. Одним из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи является темный аксион — гипотетическая сверхлегкая нейтральная элементарная частица.

               Регистрация темных аксионов — крайне сложная задача: согласно предсказывающим их существование теориям, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Но в этом случае полезным для физиков обстоятельством является другая особенность темного аксиона, который может превращаться в фотон при взаимодействии с сильным магнитным полем с резонансной для аксиона частотой.

               Группа ученых во главе с Джошуа Фостером (Joshua Foster) из Мичиганского университета использовали радиотелескоп Грин-Бэнк и Эффельсбергский радиотелескоп для наблюдения за рядом объектов, от которых ожидался яркий сигнал преобразования аксионов в фотоны, в том числе за центром Млечного Пути, а также за двумя близлежащими к нему нейтронными звездами RX J0720 и RX J0806.

               Физикам нужно было перевести полученные результаты в ограничения на константу взаимодействия процесса перехода аксиона в фотон. Для этого ученые провели моделирование исследуемого процесса в окрестности изученных объектов, учтя их местоположение и прогнозируемые распределения плотности аксионной темной материи вокруг них, погрешность соответствующие вычислений для центра Млечного Пути оказалась сильно больше, чем для нейтронных звезд. Тем не менее, полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли результаты эксперимента CAST в ЦЕРНЕ.

               Авторы отмечают и то, что данное исследование — лишь первая попытка использовать нейтронные звезды в качестве проб существования аксионной темной материи, и что в дальнейшем продемонстрированный метод может быть улучшен для получения еще более строгих ограничений. Ученые возлагают большие надежды и на новые поколения радиотелескопов, с помощью которых можно будет на порядки увеличить чувствительность измерений.

               Источником магнитного поля для перехода аксиона в фотон совсем не обязательно должна быть нейтронная звезда: в главе ….  рассказано об эксперименте ADMX, в котором детектор самостоятельно генерирует магнитное поле в охлаждённой полости и регистрирует рожденные в ней фотоны.

               По оценкам ученых, примерно 85% вещества во Вселенной — темная материя. Но изучить ее нам не удается, потому что с обычной материей она взаимодействует будто бы исключительно гравитационно. Из темной материи не формируются звезды и галактики, хотя несколько лет назад астрономы предположили, что из темной материи могли быстро сформироваться первые сверхмассивные черные дыры во Вселенной.

               Темная материя не поглощает, не испускает и не рассеивает излучение. По крайней мере в том объеме, который астрономы могли бы легко засечь современными инструментами. И все же встречаются небольшие расхождения в данных наблюдений и расчетов, которые ученые пробуют объяснить с помощью темной материи.

               Так оптический фон Вселенной, измеренный космическим зондом New Horizons, оказался почти вдвое ярче, чем предсказывали теории и модели. Астрофизики из Университета Джонса Хопкинса (США) предположили, что это дополнительное свечение возникает из-за распада в мощных магнитных полях аксионов — одних из кандидатов в темную материю. Возможно, аксионы придают силу не только излучению фона.

               Аксионы — гипотетические частицы, предложенные в 1970-х в качестве объяснения несовпадений расчетов с наблюдениями внутренних процессов в нейтронах. Даже само название произошло от названия бренда стирального порошка, ведь частица должна была «очистить» несостыковку в данных. Многие ученые считают, что она поможет и в решении проблемы темной материи.

               Исходя из изначальных предположений о сущности аксионов ученые сделали вывод, что эти частицы не могут возникать во Вселенной повсеместно, но в присутствии мощных электромагнитных полей они должны распадаться на фотоны. Самые мощные электромагнитные поля — у пульсаров, вращающихся нейтронных звезд. Более того, пульсары, будучи мощнейшими магнитами, могут заодно быть «фабриками» по производству аксионов из фотонов. Значит, нужно приглядеться к пульсарам: «лишнее» излучение, как в случае с фоном Вселенной, может быть следствием распадающихся аксионов.

               В новом исследовании ученые разработали теоретическую основу работы такой «фабрики» и рассчитали, насколько ярче должно быть излучение пульсара. Затем группа проверила свои предположения на данных наблюдений за 27 пульсарами.

Презо использовал компьютерное моделирование для того, чтобы выяснить, каким образом темная материи может взаимодействовать с различными планетами. Его расчеты показали, что при прохождении потока частиц темной материи сквозь планету он гравитационно фокусируется в очень плотную нить, причем точка фокуса для частиц, прошедших сквозь земное ядро, лежит в миллионе километров от него. Концентрация частиц темной материи в этом фокусе, который физик сравнивает с корнем волоса, в миллиард раз выше, чем в среднем во Вселенной. Те же частицы, которые лишь касаются поверхности Земли, фокусируются в два раза дальше — эту точку автор сравнивает с кончиком волоса.

               Темную материю невозможно обнаружить с помощью прямого наблюдения. Поэтому исследователи вынуждены использовать альтернативные методы. В частности, измеряются скорости, с которыми галактики в галактических скоплениях движутся вокруг общего центра; анализируют, как искажаются изображения астрономических объектов из-за эффекта гравитационного линзирования; наблюдают за рентгеновским излучением горячего газа в скоплениях.

               В новой работе ученые использовали собственный метод поиска темной материи. С помощью фотометрии высокого разрешения они изучали распределение звезд в звездном потоке Palomar 5. Когда-то он представлял собой шаровое скопление, однако впоследствии это скопление было «разорвано» гравитацией Млечного Пути и вытянуто вдоль орбиты под действием приливных сил. Звездный поток считается довольно простой и хрупкой структурой и его целостность вполне может быть нарушена достаточно массивным объектом.

               В Palomar 5 наблюдаются два «разрыва» разной величины. Компьютерное моделирование показало, что они могли появиться в результате прохождения рядом со звездным потоком пары сгустков теплой темной материи, также известных как субгало. По оценкам ученых, их масса составляет 10⁶–10⁷ и 10⁷–10⁸ масс Солнца, что на самом деле считается достаточно маленьким значением для такого типа объектов. Если последующее измерение лучевых скоростей и собственного движения звезд в потоке подтвердит гипотезу ученых, то обнаруженные субгало окажутся самыми маленькими из известных.

               Авторы работы заявляют, что если субгало имеют меньший размер, чем самая маленькая карликовая галактика, то его частицы будут достаточно массивными.

               В то же время ученые не исключают, что «разрывы» в звездных потоках могли быть вызваны гравитационных влиянием бара (перемычки), проходящего через центр Галактики, или гигантского молекулярного облака — обширной области молекулярного газа с массой 10⁴–10⁶ солнечных масс..

               В апреле прошлого года группа астрономов под руководством Сергея Копосова обнаружила, что звезды в окрестностях Солнечной системы движутся в сторону, противоположную направлению вращения нашей галактики. В то время как ожидаемая радиальная скорость «покоящейся» звезды в окрестностях Солнца составляет примерно 230 километров в секунду, средняя скорость звезд из открытого потока не превышает 115 километров в секунду. Кроме того, звезды из потока движутся под небольшим углом к плоскости галактики.

               Согласно подавляющему большинству моделей темной материи, ее частицы должны формировать протяженные гало, в которые погружены все галактики, в том числе Млечный Путь. В таком случае в центре систем должна наблюдаться заметная концентрация таких частиц. При этом ряд теорий предполагает, что между ними могут происходить взаимодействия, в том числе аннигиляции. Ее результатом должно стать появление фотонов, чья энергия будет зависеть от массы исходных частиц.

               Подобные сигналы были зарегистрированы, причем как в рентгеновском диапазоне (линия излучения в направлении галактики Андромеды и скопления в Персее), так и в гамма (избыток излучения из центра Млечного Пути). Однако впоследствии вывод о том, что это следы аннигиляции темной материи, посчитали маловероятными, так как было показано, что подобные особенности могут появляться в результате свечения популяции необнаруженных миллисекундных пульсаров.

               В новой работе Ребекка Лин (Rebecca Leane) и Трейси Слейтер (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического института искусственно добавляли в реальные данные ожидаемый сигнал темной материи, который все равно определялся программой как относящийся к пульсарам. Более того, созданный ранее алгоритм продолжал выдавать пульсары в качестве ответа, даже если искусственный сигнал темной материи создавался с повышенной интенсивностью, и лишь при десятикратном превышении ожидаемого уровня начинал правильно определяться. Ученые заключают, что такой анализ не дает надежных результатов, поэтому необходимо вернуться к исходной позиции, по которой избыток гамма-лучей из центра Млечного Пути все-таки может быть связан с темной материей.

               Споры о природе темной матери ужесточились в 2009 году – после того, как орбитальный телескоп Fermi обнаружил, что центральная часть Млечного Пути вырабатывает заметно больше рентгеновского и гамма-излучения, чем предсказывают расчеты, которые основаны на плотности распределения звезд и активности в центре черной дыры.

               Многие космологи-теоретики посчитали, что существование этого излучения указывает на то, что частицы темной материи нестабильны по своей природе. Чтобы проверить эти гипотезы, десятки научных групп начали наблюдать как за нашей Галактикой, так и другими близлежащими объектами, в том числе Туманностью Андромеды.

               Как отмечает Бенджамин Сафди, доцент Мичиганского университета (США), и его коллеги, эти наблюдения привели к противоречивым результатам. С одной стороны, астрономы действительно нашли в соседних галактиках и далеких их скоплениях похожий избыток рентгеновского излучения.

               С другой, обсерватория NuSTAR обнаружила свидетельства того, что это свечение внутри Млечного Пути появилось из-за огромного количества пульсаров и черных дыр в центре Галактики, а вовсе не из-за распадов невидимых частиц. Это породило массу новых споров о том, из-за чего появляется это излучение и как оно может быть связано с темной материей.

В новой работе ученые во главе с Геворком Абазаджяном (Kevork Abazajian), профессором физики и астрономии Калифорнийского университета, сообщают, что после обширного сопоставления данных наблюдений, проведенных при помощи спутника Fermi, с современными моделями частиц темной материи, которые могли бы вызвать рассеянное аннигиляционное излучение вблизи центра Галактики, подходящего кандидата на роль частицы темной материи в диапазоне масс от 10 до 1000 масс протона обнаружено не было. Поскольку этот диапазон масс для современных физиков является наиболее привлекательным при поисках кандидатов на роль частицы темной материи, то полученные ограничения являются весьма жесткими.

               Однако, как отмечает Абазаджян, эти результаты не отвергают гипотезу темной материи, а лишь позволяют исключить из рассмотрения часть моделей, описывающих поведение этой таинственной субстанции.

               Ученые проанализировали данные, полученные с помощью космического телескопа Fermi, и сравнили их с астрономическими аномалиями, зарегистрированными детекторами и спектрометрами на международной космической станции (МКС). С 2009 года начал обнаруживаться избыток фотонов с энергиями, равными или превышающими один гигаэлектронвольт, исходящих из центра галактики. Ранее исследователи пытались объяснить аномалию скоплениями слабых пульсаров, а также существованием темной материи.

               Новые результаты показали, что избыток гамма-лучей большей частью приходит именно из центра галактики, что и ожидается в случае, если источником являются неизвестные частицы, составляющие темную материю. Если бы гамма-излучение порождалось взаимодействием между космическими лучами и атомами, наблюдалась бы зависимость пространственного распределения фотонов от их энергии, однако такая зависимость не обнаружена.

               Физики также показали, что гипотеза темной материи не опровергается аномалиями, зарегистрированными приборами МКС. К ним относится избыток позитронов и отсутствие фотонов высоких энергий от карликовых галактик, близких к Млечному Пути.

               В этом новом исследовании группа под руководством Римпэи Чибы (Rimpei Chiba) проанализировала данные наблюдений, проведенных при помощи космического телескопа Gaia («Гея»), крупной группы звезд, потока Геркулес, которые находятся в резонансе с перемычкой – то есть, они обращаются вокруг центра Галактики с той же скоростью, что и перемычка. Аналогичное явление наблюдается в случае троянских и греческих астероидов Юпитера, которые движутся по орбите гигантской планеты, находясь в точках Лагранжа (перед Юпитером и позади него). Если вращение перемычки замедлялось, эти звезды должны были мигрировать в сторону периферии Галактики, чтобы сохранить период обращения неизменным.

               В ходе анализа Чиба и его коллеги обнаружили, что звезды этого потока обогащены металлами (элементами тяжелее водорода и гелия) – и это стало подтверждением версии о миграции звезд потока из центра Галактики, где содержание металлов в веществе звезд в 10 и более раз превышает содержание металлов в веществе звезд внешней части Млечного пути.

               Выяснилось, что перемычка – состоящая из миллиардов звезд общей массой в триллионы масс Солнца – замедлилась не менее чем на 24 процента с момента своего формирования.

               Согласно авторам, такое замедление перемычки Млечного пути является важным подтверждением гипотезы темной материи, поскольку альтернативные теории гравитации не предполагают снижения скорости вращения перемычки Галактики.

               Природа темной материи — одна из главных загадок современной астрофизики. Многие наблюдения и расчеты указывают на существование «невидимого» вещества, которое взаимодействует с «обычной» барионной материей лишь гравитационно. В их числе — что-то невидимое, «раскручивающее» внешние области галактических дисков быстрее положенных скоростей, движение скоплений галактик, расчеты по реликтовому излучению, колебания плотности барионной материи и другие.

               Так как темная материя не взаимодействует с излучением, астрофизики не могут изучать ее привычными методами. Поэтому они ищут альтернативные способы. Межнациональная группа ученых European Pulsar Timing Array использует для поиска темной материи миллисекундные пульсары. Они собирают данные на протяжении почти четверти века.

               Наблюдая за таймингом сигналов, приходящих от этих космических «маяков», группа старается оценить плотность ультралегких частиц темной материи. Если она существует, то должна искажать время между «вспышками» пульсаров. В новой работе ученые проанализировали уже второй набор данных наблюдений от шести европейских радиотелескопов.

               «Идея [исследования] появилась, когда я спросил моего куратора, могу ли я продолжить исследования в сфере гравитационных волн, но с точки зрения физики элементарных частиц. Главной целью этого проекта было наложить ограничения на существование так называемой ультралегкой темной материи в нашей Галактике», — объясняет Клемент Смарра, один из авторов новой научной работы.

               Благодаря более продолжительным и точным данным наблюдений ученым удалось определить, что гипотетические ультралегкие частицы с массой от 10^−24.0 до 10^−23,3 электронвольт не могут составлять всю темную материю в окрестностях Млечного Пути.

               Модель холодной темной материи успешно объясняет многие аспекты масштабной структуры Вселенной, но не так хорошо работает на расстояниях меньше килопарсека. Например, согласно наблюдениям, плотность темной материи внутри галактик постоянна, а по модели — меняется от центра к краям. Другая известная проблема — «неправильное» количество галактик-спутников у Млечного Пути.

11-5-1. Галактики-спутники из темной материи запускают мощные вспышки звездообразования

11-5-2. Астрономы разрешили проблему недостатка карликовых галактик около Млечного Пути

11-5-3. Новые наблюдательные данные бросают вызов гипотезе темной материи

11-5-4. Ультрафиолетовый фон Вселенной объясняет проблему нехватки небольших галактик

11-5-5. Физики предлагают объяснение различным кривым вращения галактик

11-5-6. Движение звезд в близлежащей галактике указывает на присутствие темной материи

11-5-7. Звезды разогревают темную материю

11-5-8. Вращение карликовых галактик не смогли объяснить имеющимися теориями

               Согласно старым моделям происхождения Млечного Пути, наша галактика должна быть окружена тысячами карликовых галактик, состоящих из нескольких миллиардов звезд. В действительности же ученым на сегодняшний день удалось обнаружить всего лишь около пятидесяти таких объектов в местной группе. Ранее исследователи предполагали, что в их расчетах есть неточность, так как они не до конца понимают природу темной материи, которая вместе с темной энергией составляет около 95 процентов наблюдаемой Вселенной. Однако в новая симуляция американских астрономов показывает, что проблема была не в «скрытой» материи.

               В своей работе исследователи учли множество дополнительных сил, связанных с влиянием звезд на нашу галактику и ее окрестности. Кроме обычных компонентов, вроде водородного газа или темной материи, они добавили в модель давление электромагнитного излучения, фотоионизацию и фотоэлектрический нагрев частиц межзвездной пыли, звездный ветер, коллапс звездных ядер и рождение сверхновых типа Ia в результате взрывов белых карликов.

               В итоге исследователям удалось получить в моделировании галактику с массой, приблизительно равной массе Млечного Пути (7×10¹⁰ масс Солнца), вокруг которой существует «правильное» число карликовых галактик. Как оказалось, что взрывы сверхновых оказались способны оказывать значительное влияние на материал, из которого формируются звезды, и на карликовые галактики. Создаваемый ими звездный ветер вполне может разрушить молодые карликовые галактики еще до наступления их зрелости, «выдувая» из них звезды и газ.

               Симуляция охватывает период с момента спустя 100 миллионов после рождения Вселенной (z = 30) и до наших дней (z = 0).

               В дальнейшем исследователи планируют продолжить работу над моделью. Они надеются предсказать, сколько самых маленьких и тусклых галактик ученым еще предстоит открыть.

               Космологические симуляции представляют собой программу, которой задается начальное состояние некоторого количества частиц и законы их поведения. После этого она предоставляется сама себе и рассчитывает свойства и взаимодействие этих частиц во времени. Каждый элемент такой модели может быть звездой, галактикой, участком темной материи конкретной массы или просто неким объемом Вселенной ограниченного размера. Симуляции очень удобны для объяснения процессов, происходящих в космосе, и для их детального изучения на компьютере.

               Команда исследователей во главе со Стейси МакГауф, заведующей кафедрой астрономии Университета Кейс Вестерн Резерв, США, нашла новые соотношения для спиральных и неправильных галактик: ускорение, наблюдаемое на кривых вращения, тесно коррелирует с гравитационным ускорение, ожидаемым, исходя из наличия в галактике только видимой материи.

               Эти находки подтверждаются для 153 спиральных и неправильных галактик, от гигантских до карликовых, с массивными центральными балджами или вовсе без таковых. Соотношения остаются справедливыми как в случае галактик, состоящих в основном из звезд, так и в случае галактик, состоящих в основном из газа.

               Независимый астрофизик Дэвид Меррет из Рочестерского технологического института, США, рецензировавший это исследование, сказал, что эти находки могут привести к новому пониманию внутренней динамики галактик.

               Международная команда исследователей, возглавляемая Университетом Дарема, нашла способ измерить излучение с помощью наземных инструментов. Ученые заявляют, что их метод может быть использован для анализа эволюции ультрафиолетового фона и отображения того, как и когда он подавлял образование мелких галактик. Кроме того, новое исследование должно помочь в создании более точной модели развития Вселенной.

               Ультрафиолетовое излучение – тип излучения (так же испускаемый нашим Солнцем), встречающийся во Вселенной повсеместно. Оно лишает более мелкие галактики газа, который необходим для образования звезд. Считается, что ультрафиолетовое излучение является причиной отсутствия у крупных галактик, подобных нашему Млечному пути, большого количество небольших галактик-компаньонов.

               Моделирование показывает, что во Вселенной должно быть значительно больше мелких галактик, но ультрафиолетовое излучение остановило их развитие. Большие галактики смогли противостоять этому космическому обстрелу из-за толстых газовых облаков, окружающих их.

               «Массивные и сверхмассивные черные дыры производят огромное количество ультрафиолетового излучения, накапливая ультрафиолетовый фон. Ультрафиолет возбуждает газ во Вселенной, заставляя его испускать красный свет так же, как газ внутри люминесцентной лампы «создает» видимый свет. Наше исследование показало, что у нас теперь есть возможность измерять и отображать ультрафиолетовое излучение, используя инструмент MUSE на Очень Большом Телескопе ESO в Чили, что поможет нам в дальнейшем совершенствовать модели образования галактик, узнавать больше об эволюции Вселенной и о том, почему так мало небольших галактик», – сказал Мишель Фумагалли, ведущий автор исследования из Института вычислительной космологии при Университете Дарема (Англия).

               Кроме того, новый метод поможет ученым более точно определять температуру космического газа. «Ультрафиолетовое излучение нагревает газ до температуры выше, чем поверхность Солнца. Из такого горячего газа не могут рождаться звезды в небольших галактиках. Это объясняет, почему во Вселенной так мало малых галактик, а также почему у нашего Млечного Пути небольшое количество спутников», – заключил Том Теунс, соавтор исследования из Института вычислительной космологии при Университете Дарема.

               Каждая галактика находится внутри гало из темной материи, благодаря которому вся материя галактики удерживается в одном месте. Распределение темной материи в этом гало может быть проанализировано при изучении движения звезд и частиц газа в галактике.

               В гипотезе холодной темной материи частицы темной материи почти не испытывают столкновений друг с другом, а взаимодействуют лишь посредством гравитации. «Мы привлекли другую гипотезу, модель самовзаимодействующей темной материи (self-interacting dark matter model, SIDM), чтобы показать, что взаимодействия между частицами темной материи разогревают внутреннее гало, в результате чего распределения темной и нормальной материи оказываются связанными друг с другом в единое целое. Тогда расчеты гало с самовзаимодействующей темной материей становятся достаточно гибкими, чтобы объяснить подавляющее большинство наблюдаемых кривых вращения галактик».

               Карликовая галактика Скульптор является одной из многочисленных галактик-спутников Млечного пути. Эти галактики-спутники гравитационно взаимодействуют с нашей Галактикой, и такое взаимодействие оказывает значительное влияние на их форму.

               В новом исследовании группа ученых, возглавляемая Дэвидом Массари (Davide Massari) из Астрономического института Каптейна, Нидерланды, определила движение звезд галактики Скульптор в трехмерном пространстве, для чего исследователям потребовалось объединить данные измерений соответственно собственного и радиального движения звезд. Собственное движение звезд представляет собой изменение координат звезд на небесной сфере, и для определения скорости этого движения команда Массари проанализировала изменения положения звезд, измеренные соответственно при помощи космического телескопа Hubble в 2002 г. и миссии Gaia в 2014-2015 гг. Скорости радиального движения звезд галактики Скульптор, то есть движения вдоль линии наблюдения, были найдены из литературы. Используя данные по собственному и радиальному движению звезд, ученые смогли восстановить их движение в трех измерениях.

               Звезды в галактиках получают ускорение в результате гравитационного воздействия на них со стороны массивных материальных объектов. Однако большой объем данных о распределении скоростей звезд в галактиках, накопленный астрономами за последние десятилетия, показывает, что одной лишь нормальной материи в галактиках содержится недостаточно для объяснения наблюдаемого движения звезд. Это послужило основой для выдвижения предположения о том, что в галактиках присутствует помимо нормальной, видимой материи также особая субстанция, получившая название темной материи, которая не обнаруживается при наблюдениях, но оказывает на объекты галактики гравитационное воздействие.

               Проведенный командой Массари анализ скоростей движения звезд галактики Скульптор показал, что темная материя в галактике распределена с увеличением плотности распределения к центру галактики. Это распределение хорошо согласуется с результатами крупномасштабного моделирования распределения темной материи во Вселенной, выполненного на основе стандартного космологического сценария, указывают авторы.

                Карликовые галактики – это небольшие, тусклые галактики, которые обычно обращаются вокруг более крупных галактик, таких как Млечный путь. Изучение карликовых галактик может дать ключи к пониманию темной материи. Темная материя, предположительно, составляет большую часть массы Вселенной. Однако, поскольку она не взаимодействует со светом так же, как нормальная материя, присутствие темной материи выявляется лишь по ее гравитационным эффектам. Ключ к ее изучению, тем не менее, может лежать в процессах формирования звезд в галактиках.

               Когда в галактике формируются новые звезды, мощные звездные ветра могут отталкивать газ и пыль от центра галактики. В результате в центре галактики остается меньше массы, и гравитационное воздействие на темную материю в этой галактике уменьшается. В результате ослабления гравитационного притяжения темная материя получает дополнительную энергию и мигрирует в стороны от центра галактики – эффект, называемый «разогревом темной материи». Команда Рида измерила количества темной материи в центрах 16 карликовых галактик с различными историями звездообразования. Анализ показал, что галактики, в которых звездообразование прекратилось очень давно, имеют более высокую плотность темной материи в центрах, по сравнению с галактиками, в которых звездообразование происходит до сих пор. Эти наблюдения свидетельствуют в пользу гипотезы, согласно которой в более древних галактиках почти не происходит разогрева темной материи, считают авторы.

               Основные видимые компоненты галактик — это звезды и газ, причем по их концентрации можно определить из наблюдений яркости свечения в различных диапазонах спектра. Если предположить, что на это вещество приходится большая часть массы галактики, то из полученного распределения можно теоретически вычислить кривую вращения — зависимость скорости движения звезд по галактическим орбитам в зависимости от расстояния до центра.

               В большинстве случаев сделанное таким образом предсказание не сойдется с наблюдениями. Например, в крупных спиральных галактиках, как правило, скорость довольно резко увеличивается недалеко от центра, а затем слабо меняется вплоть до очень больших расстояний. Но исходя из оценки плотности на основе светящегося вещества, должен наблюдаться менее резкий рост, достижение максимума и снижение на окраине.

               Для объяснения этого расхождения было предложено несколько теорий. Наиболее популярная на данный момент предполагает существование темной материи. Это вещество не излучает и не поглощает свет, но обладает массой, из-за чего может влиять на движение обычной материи. Для большинства крупных галактик и их скоплений очень простое распределение массы в окружающем их гало из темной материи позволяет привести теорию в соответствие с наблюдениями.

               Но для карликовых галактик, у которых наблюдается большее разнообразие форм кривых вращения, зачастую такого сделать не удается. В частности, в таких системах кривые вращения могут расти в центре еще быстрее, чем ожидается при наличии темной материи, или, наоборот, проходить ближе к предсказаниям теории вообще без невидимого компонента Вселенной. В первом случае это указывает на повышенную плотность массы в центре, а во втором — пониженную.

               Астрофизики при участии Изабель Сантос-Сантос (Isabel Santos-Santos) из Университета Виктории в Канаде проанализировали имеющиеся теории, которые используются для объяснения кривых вращения карликовых галактик. Авторы разбили их на четыре категории: барионные эффекты (мощные течения из системы или в ее центр), физика темной материи (возможность участия частиц темной материи не только в гравитационном взаимодействии), нестандартные законы ускорения обычной материи (модифицированная гравитация на малых ускорениях) и неточности определения скоростей (возможность преобладания эллиптических, а не круговых орбит в центре).

               В результате астрономы пришли к выводу, что ни один из рассмотренных вариантов не способен описать все наблюдательные данные. В то время как большинство теорий могут объяснить отдельные аспекты, хуже всего себя проявили нестандартные законы ускорения: они не могут правильно воспроизвести ключевой параметр — скорость во внутренних регионах галактик. Отдельно авторы пишут, что значительную часть данных удается описать эллиптическими траекториями объектов в центральных частях галактик, но в таком случае требует отдельного объяснения то обстоятельство, что этот эффект значим только в случае галактик с низкой поверхностной яркостью.

(том – часть – глава)

11-6-1. Астрономы глубже проникают в тайны гало из темной материи

11-6-2. Обзор неба Dark Energy Survey дает новые сведения о гало темной материи

11-6-3. Dark Energy Survey

11-6-4 Темная материя и массивные галактики

11-6-5. Никаких следов гало темной материи в скоплении Печи

11-6-6. Новые астрономические наблюдения уточнили природу темной материи

               Исследование, проведенное учеными из Пенсильванского университета, США, может пролить свет на распределение одной из самых таинственных субстанций Вселенной. Статья вышла в журнале Astrophysical Journal.

_{Astronews, 17 декабря 2017}

               «Мы представляем инновационный способ проверки стандартной модели, основанный на том, насколько карликовые галактики возмущаются гравитационными приливами от ближайших более крупных галактик», — сказала Елена Асенсио, аспирант Боннского университета.

               В скоплении Печи находится множество карликовых галактик. Наблюдения показывают, что некоторые из этих карликов кажутся искаженными, как будто они подверглись возмущениям, вызванным окружающей средой скопления.

               «Согласно стандартной модели, таких возмущений у карликов Печи не ожидается», — сказал Павел Крупа, профессор Боннского университета. – «Ореолы темной материи этих карликов должны частично защищать их от приливов, создаваемых скоплением».

               Авторы проанализировали ожидаемый уровень возмущения карликов, который зависит от их внутренних свойств и расстояния до гравитационно мощного центра скопления. Галактики больших размеров, но с малой звездной массой, и галактики, расположенные близко к центру скопления, легче подвергаются возмущению или разрушению. Они сравнили результаты с наблюдаемым уровнем возмущения, очевидным на фотографиях, сделанных «Очень Большим Телескопом».

               «Сравнение показало, что если объяснять наблюдения в рамках стандартной модели, то карлики Печи должны быть уничтожены гравитацией от центра скопления, даже если приливы, вызываемые у карлика, в 64 раза слабее, чем собственная гравитация карлика», - заявила Елена Асенсио. По ее словам, это противоречит предыдущим исследованиям, обнаружившим, что внешняя сила, необходимая для возмущения карликовой галактики, примерно равна собственной гравитации карлика.

               Авторы пришли к выводу, что в рамках стандартной модели невозможно самосогласованно объяснить наблюдаемую морфологию карликов созвездия Печи. Они повторили анализ, используя динамику Милгрома (MOND). Вместо предположения о наличии гало темной материи, теория MOND предлагает поправку к ньютоновской динамике, благодаря которой гравитация испытывает усиление в режиме малых ускорений.

               «Мы не были уверены, что карликовые галактики смогли бы выжить в экстремальной среде галактического скопления в MOND из-за отсутствия защитных ореолов темной материи в этой модели», - сказал доктор Индранил Баник из Университета Сент-Эндрюса. - «Однако наши результаты показывают прекрасное согласование между наблюдениями и ожиданиями MOND по поводу уровня возмущения карликов Печи».

               Это не первый случай, когда исследование, проверяющее влияние темной материи на динамику и эволюцию галактик, пришло к выводу, что наблюдения лучше объясняются, когда они не окружены темной материей.

               «Количество публикаций, показывающих несоответствие между наблюдениями и парадигмой темной материи, растет с каждым годом. Пора начать вкладывать больше ресурсов в более перспективные теории», — отметил Павел Крупа.

               Понятие темной материи исторически возникло из-за необходимости решения проблемы скрытой массы во Вселенной. Введение этого понятия позволило объяснить различия между теоретическими предсказаниями и астрономическими наблюдениями характера вращения галактик и силы гравитационного линзирования.

               Так, если бы во Вселенной существовала только видимая материя, то периферические части галактических дисков вращались бы медленнее наблюдаемого, а гравитационное линзирование далеких объектов в норме было бы заметно слабее. Только предположение о некоей скрытой массе позволяет решить эту загадку. Причем, согласно общепринятой сегодня космологической теории, в наблюдаемой нами части Вселенной этой невидимой материи должно быть в пять раз больше, чем привычной нам барионной.

               Поскольку о присутствии темной материи можно узнать только через гравитационные эффекты на масштабах звезд и галактик, астрономам приходится полагаться лишь на случайные «естественные эксперименты», заключающиеся в особом расположении небесных тел.

По стандартной модели эволюции Вселенной галактические нити формируются и следуют вдоль сетевидных потоков тёмной материи. Предполагается, что эта тёмная материя ответственна за макроструктуру вселенной. Тёмная материя гравитационно притягивает барионную материю, и эту обычную материю астрономы наблюдают в виде стен и нитей из галактических сверхскоплений.

  Авторы исследовали протокластер SSA22 в созвездии Водолея. Для наблюдений ученые использовали телескоп ASTE и, впоследствии, ALMA — Атакамскую большую миллиметровую решетку. Первичные данные, полученные ASTE, показали, что в центре области может находиться огромная галактика, светящаяся в субмиллиметровом диапазоне. Это радиочастотное излучение соответствует тем звездным системам, в которых наблюдается интенсивное звездообразование. Но из-за небольшого разрешения радиотелескопа, определить, ответственна ли за такое свечение одна галактика или несколько было невозможно и астрономы обратились к ALMA. Массив радиотелескопов обладает на порядок большей чувствительностью и в 60 раз большим разрешением.

 «В течение нескольких десятилетий астрономы предсказывали существование нитей из темной материи между галактиками, которые действуют подобно паутинообразной сверхструктуре, связывающей воедино галактики», - сказал Майк Хадсон (Mike Hudson), профессор астрономии Университета Ватерлоо. – Этот снимок позволяет нам продвинуться на шаг дальше в изучении свойств темной материи – теперь мы не только прогнозируем существование этих волокон, но мы можем наблюдать их и измерять их параметры».

               Наиболее популярной моделью темной материи является так называемая модель «холодной темной материи», согласно которой темная материя состоит из частиц массой не меньше массы протона. Это означает, что частицы темной материи движутся со скоростями намного меньше скорости света. Эта модель хорошо объясняет крупномасштабную структуру Вселенной, однако сталкивается с трудностями при объяснении распределения материи в пределах отдельной галактики.

               В модели холодной темной материи плотность нормальной материи в ядре должна быть намного больше, чем наблюдаемая. Альтернативой модели холодной темной материи является модель, в которой частицы темной материи имеют крохотную массу и, проявляя волновые свойства, присущие всем частицам, формируют волны с длиной от пика до пика порядка 3000 световых лет, то есть в масштабе галактики. Так как нормальная материя притягивается к темной материи, распределение нормальной материи будет повторять распределение частиц темной материи.

               В новой работе группа исследователей во главе с Тулой Бернал (Tula Bernal) из Национального политехнического института Мексики приводит свидетельства в пользу второй из этих гипотез. Согласно исследователям гипотеза «рыхлой» темной материи плохо согласуется с наблюдательными данными в том случае, если считать что её частицы находятся в «основном» состоянии, однако если предположить, что энергия некоторых из этих частиц отличается от энергии других частиц – то есть, если частицы «возбуждены» - то отмечается хорошее согласие с наблюдениями.

               Фотоны, взаимодействующие с водородом, находящимся в космических филаментах, формируют множественные линии поглощения, известные как «лес Лайман-альфа». Это взаимодействие позволяет открыть несколько важных свойств темной материи. Полученные результаты свидетельствуют в пользу модели Холодной темной материи, в соответствии с которой темная материя состоит из очень медленно движущихся частиц. И эти результаты демонстрируют несоответствие с альтернативной моделью – моделью Рыхлой темной материи, в которой частицы имеют существенно более высокую скорость.

               Команда астрономов во главе с Видом Ирсиком (Vid Iršič) провела анализ распределения темной материи во Вселенной на основе данных наблюдения лайман-альфа излучения далеких галактик, полученных при помощи телескопа им. Кека, Гавайи, и обсерватории Very Large Telescope, Чили. Сравнение этих данных с результатами моделирования спектров показало хорошее соответствие между расчетами и наблюдательными данными для гипотезы Холодной темной материи.

               К сожалению, несмотря на множество эффектов, которые неявно указывают на существование темной материи, физики до сих пор не знают, из чего она состоит. До последнего времени преобладающим кандидатом были тяжелые вимпы — их предсказывал целый ряд теорий, они отлично вписывались в модель ΛCDM, построить детекторы для их поиска было проще всего. Однако неудачи детекторов, которые упорно не хотят видеть вимпы, заставили физиков обратиться к более экзотическим моделям. Наравне с моделью холодной темной материи (cold dark matter, CDM) сейчас физики рассматривают теплую (warm dark matter, WDM) и размытую (fuzzy dark matter, FDM) темную материю. Частицы, составляющую теплую темную материю, на несколько порядков быстрее и легче вимпов (характерная масса находится на уровне килоэлектронвольт). Масса частиц размытой темной материи еще меньше (вплоть до 10⁻²² электронвольт), так что длина их волны сравнима с размером галактики. К сожалению, пока что проверить модели WDM и FDM не удалось.

               Группа исследователей под руководством Филипа Моча (Philip Mocz) предложила отличать эти теории по структуре филаментов (галактических нитей). Чтобы увидеть отличия, ученые численно смоделировали эволюцию Вселенной, в которой исходная плотность темной материи с небольшой амплитудой колебалась около среднего значения. Характерный размер области, которую моделировали ученые, составлял 1,7 мегапарсека.

               Во всех трех случаях (CDM, WDM и FDM) темная материя собиралась в филаменты, однако структура филаментов получилась разной. Холодная темная материя быстро распадалась на отдельные сгустки, которые можно интерпретировать как зародыши галактик. В модели WDM такие сгустки тоже появлялись, хотя и были выражены менее явно. Наконец, в модели FDM пространство между скоплениями было заполнено интерференционным узором, образованным областями с низкой и высокой плотностью материи. Внутри же скоплений волны размытой темной материи в целом воспроизводили динамику частиц холодной и теплой материи. Впрочем, плотность таких «скоплений» в среднем оказывалась значительно меньше, чем плотность скоплений в моделях CDM и WDM.

               Галактики распределены по Вселенной в форме сложной сети из узлов, связанных между собой при помощи нитей, называемых филаментами, которые, в свою очередь, перемежаются пустотами. Эта структура известна как «космическая паутина». Филаменты, предположительно, содержат почти всю обычную (также называемую барионной) материю Вселенной в форме разреженного, горячего газа. Однако сигнал, испускаемый этим диффузным газом, является настолько слабым, что в действительности от 40 до 50 процентов барионов остаются незамеченными.

               Эти барионы считаются «недостающими», и именно их поискам посвящена новая научная работа, выполненная коллективом ученых во главе с Хидеки Танимурой (Hideki Tanimura), исследователем-постдоком из Института космической астрофизики. В своей работе Танимура и коллеги представляют статистический анализ, впервые выявляющий рентгеновское излучение со стороны горячих барионов, входящих в состав газа филаментов.

               Это обнаружение основано на суммировании рентгеновского излучения, зарегистрированного при помощи обзора неба ROSAT2 со стороны примерно 15 000 гигантских космических филаментов, идентифицированных в ходе обзора галактик SDSS3. Команда произвела пространственное сопоставление между положением филаментов и связанным с ними рентгеновским излучением, чтобы доказать наличие горячего газа в космической паутине и впервые измерить его температуру.

               Эти находки подтверждают результаты предыдущих расчетов команды Танимуры, свидетельствующих о непрямом обнаружении горячего газа в космической паутине через анализ его влияния на реликтовое излучение. Работа делает возможными дальнейшие подробные исследования эволюции газа в структуре филаментов космической паутины, для которых могут быть использованы более качественные данные.

               Ученые предположили, что, по крайней мере, часть этой недостающей массы может быть скрыта в гигантских нитях теплого и горячего газа с температурой от 10 000 до 10 000 000 К, находящегося в пространстве между галактиками и скоплениями галактик. Ученые назвали это явление «тепло-горячей межгалактической средой» (warm-hot intergalactic medium, WHIM).

               Команда астрономов, использующих обсерваторию Chandra для наблюдения за системой сталкивающихся скоплений галактик, обнаружила доказательства существования WHIM.

               Исследователи использовали Chandra для изучения объекта Abell 98, который содержит два сталкивающихся скопления галактик. Abell 98 находится на расстоянии около 1,4 миллиарда световых лет от Земли.

               Данные Chandra показывают мост рентгеновского излучения между двумя сталкивающимися кластерами, содержащими газы с температурой от 10 до 20 миллионов К. Более горячий газ, вероятно, происходит от газа в двух скоплениях, перекрывающих друг друга. Температура и плотность более холодного газа согласуются с прогнозами для самого горячего и плотного газа в WHIM.

               Кроме того, данные Chandra показывают наличие ударной волны, которая движется перед одним из скоплений. Впервые астрономы обнаружили такую ударную волну на ранних стадиях столкновения.

               Волна может быть напрямую связана с открытием WHIM в Abell 98, потому что именно она нагрела газ между скоплениями. Это могло поднять температуру газа в нити WHIM настолько, что ее получилось обнаружить с помощью Chandra.

               «Когда сталкиваются скопления галактик, у нас появляется возможность увидеть экстремальную физику, которую мы редко наблюдаем в любой другой космической обстановке», — сообщили ученые.

11-8-1. Космологи заметили признаки взаимодействия тёмной материи с обычной

11-8-2. Следы темной материи предложили искать в эргосфере черных дыр

11-8-3. Неожиданное взаимодействие между темной и нормальной материей

11-8-4. О взаимодействии темной материи с нормальной материей

               Подобные смещения теоретики прогнозировали в тех случаях, когда тёмная материя при столкновениях галактик взаимодействует с обычной материей как-то иначе, чем гравитационно. Компьютерное моделирование показывает, что дополнительное трение при столкновении замедлило бы движение тёмной материи, в результате чего возникло бы наблюдаемое смещение.

               Общепринятые теории гласят, что все галактики окружены скоплениями тёмной материи (в том числе Млечный Путь). Поэтому наблюдения за столкновениями галактик являются идеальным способом изучения природы тёмной материи.

               В 2009 году группа ученых во главе с Максимо Баньядосом (Máximo Bañados) выдвинула гипотезу, согласно которой черная дыра может разогнать находящиеся рядом частицы темной материи, передав им часть своей энергии вращения через механизм Пенроуза. В итоге черная дыра слегка замедлит свое вращение, но для частиц темной материи сыграет роль мощного ускорителя. Поскольку вимпы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, объекты, подобные черным дырам, являются единственными, способными сыграть роль ускорителей для таких частиц. Тем не менее, в ряде работ значимость эффекта Баньядоса-Силка-Уэста была поставлена под сомнение.

               Джереми Шниттман попытался рассмотреть процесс разгона частиц темной материи близ черных дыр более детально. По расчетам автора, для части из них механизм Пенроуза будет работать намного эффективнее, чем считалось ранее. Шниттман обнаружил, что гамма-лучи от аннигиляции «вимпов» по своей энергии могут быть в 14 раз больше, чем исходные частицы. Более ранние модели, учитывавшие одновременный разгон в эргосфере лишь небольшого количества частиц, показывали, что гамма-лучи по своей энергии могут превзойти исходные частицы лишь на 30 процентов. Иными словами, существует вероятность того, что аннигиляции вимпов дадут гамма-излучение, которое отразится на спектре гамма-фотонов, исходящих от черной дыры.

               Как констатирует Шниттман, повышению вероятности обнаружения следов аннигиляции вимпов способствует и релятивистское замедление времени близ черной дыры. С точки зрения удаленного наблюдателя, частицы, падающие на горизонт событий дыры, сначала ускоряются, но по мере приближения к горизонту замедляются. Поэтому наблюдаемая вблизи него плотность частиц вимпов должна повышаться.

               Кроме того, в ряде моделей, описывающих вимпы, их эффективное сечение столкновения после достижения определенного уровня энергий (за счет разгона черной дырой) может скачкообразно увеличиваться. Из-за всего этого вероятность аннигиляции разогнанных частиц темной материи при столкновениях близ черной дыры будет намного выше, чем в любых других районах Вселенной. Как комментирует Шниттман, если в норме столкновение и аннигиляция двух вимпов также маловероятны, как столкновение двух пуль в перестрелке, то в окрестностях черных дыр таких «пуль» должно быть так много, что периодически они просто обязаны сталкиваться, порождая гамма-лучи высоких энергий.

               Согласно расчетам, их т можно будет зарегистрировать с помощью гамма-телескопов. Правда, «увидеть» удастся лишь часть гамма-лучей – те, что образуются с того края черной дыры, который вращается по направлению к земному наблюдателю. Особенно сильным свечение будет по центру такого края, соответствующему экватору черной дыры. Другой ее край, вращающийся в направлении от нас, будет испускать гамма-лучи от аннигиляции частиц в другую сторону. Следя за черными дырами с помощью достаточно эффективных гамма-телескопов, земной наблюдатель должен увидеть асимметричное свечение в гамма-диапазоне.

   Они напоминают нашу спиральную галактику, однако примерно в десять тысяч раз меньше её по размерам: спиральные мини-галактики, изученные научной командой под руководством Паоло Салуччи (Paolo Salucci), профессора Международной школы перспективных исследований (International School for Advanced Studies, SISSA), Италия, могут «открыть окно в новую физику, простирающуюся далеко за границы Стандартной модели и способную объяснить темную материю и темную энергию», как сказал Салуччи.

               По определению темной материи, ее частицы не взаимодействуют с нормальной материей только гравитационно, но взаимодействуют ли гипотетические частицы темной материи между собой? В настоящее время одними из наиболее вероятных кандидатов на роль частиц темной материи являются так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (ВИМПы).

               В соответствующей теории частица, посредством которой осуществляется взаимодействие ВИМПов темной материи с частицами нормальной материи должна иметь массу порядка 100-1000 масс частицы темной материи, однако астрофизические наблюдения не подтверждают этого теоретического вывода, рассказал главный автор нового исследования (Hai-Bo Yu) из Калифорнийского университета в Риверсайд, США.

               Ю и его команда придерживаются альтернативной точки зрения, называемой теорией самовзаимодействующей темной материи. Согласно этой теории, частица-медиатор имеет массу всего лишь порядка 0,001 массы частицы темной материи – и эти данные подтверждаются астрофизическими наблюдениями на масштабах от карликовых галактик до скоплений галактик, рассказывает Ю.

               В своей новой работе Ю и его коллеги налагают новые, строгие ограничения на силу взаимодействия между темной материей и видимой материей, осуществляемого при помощи легкой частицы-медиатора. Эти результаты помогут подтвердить справедливость положений теории самовзаимодействующей темной материи, когда будет обнаружена частица темной материи в ходе экспериментов с жидким ксеноном под названием PandaX-II, анализом данных которых в настоящее время занимается команда Ю.

11-9-1. Обнаружена галактика без темной материи

NGC 1052-DF2

11-9-2. Найдена вторая галактика без темной материи

NGC 1052-DF4

11-9-3. Астрономы разгадали тайну галактики, в которой, как предполагалось, нет темной материи

11-9-4. Новая модель темной материи объяснила ее нехватку в паре далеких галактик

NGC 1052-DF2 и 4

11-9-5. Нехватку темной материи в далекой галактике объяснили влиянием массивной соседки 

NGC 1052-DF2 и 4

11-9-6. Данные, собранные «Хабблом», подтверждают недостаток темной материи в галактиках

NGC 1052-DF2 и 4

11-9-7. Древнее столкновение оставило цепочку галактик без темной материи

               В 2018 году астрономы при помощи космического телескопа «Хаббл» и наземной обсерватории Кека нашли необычную сразу по нескольким параметрам галактику NGC 1052-DF2. Во-первых, она относится к достаточно редкому типу ультрадиффузных галактик, которые по размеру сравнимы с Млечным Путем, но содержат примерно в 100 или 1000 раз меньше звезд, что делает их поверхностную яркость исключительно низкой. Во-вторых, у этой галактики оказалось необычное распределение объектов, похожих на шаровые звездные скопления. Такие плотные и яркие группы тысяч звезд хорошо известны как в Млечном Пути, так и у наших ближайших соседей. Их функция светимости, то есть зависимость количества от яркости, считалась универсальной, однако для NGC 1052-DF2 это оказалось не так. В-третьих, измерив скорости движения 10 таких объектов, ученые оценили по ним дисперсию скоростей, которая оказалась исключительно мала — около 8 километров в секунду с ошибками порядка 50 процентов при ожидаемой дисперсии в присутствии гало из темной материи порядка 30 километров в секунду.

               В новой работе ученые описывают результаты дополнительных наблюдений, которые позволили сделать более надежные оценки дисперсии скоростей на основе движений звезд. В результате астрономы получили значение 8,5 километра в секунду с заметно меньшими ошибками (порядка 30 процентов). Из этих данных следует, что полная масса галактики примерно равна массе светящегося вещества, что исключает необходимость введения темной материи в данном случае. Также ученые обнаружили рядом похожую галактику NGC 1052-DF4, у которой также оказалась экстремально низкая дисперсия скоростей звезд — около 4,2 километра в секунду, но ошибки в данном случае составляют порядка 80 процентов.

               По мнению авторов, полученные данные высокого качества являются убедительным доказательством существования не просто одной исключительной галактики без темной материи, но и нового класса подобных объектов. Также они напоминают, что эти результаты ни в коей мере не опровергают гипотезу о темной материи, а, наоборот, подтверждают ее необходимость: если бы описываемые ей эффекты на самом деле порождались обычной материей, то подобной ситуации не могло бы возникнуть, а раз найден объект без темной материи, то это говорит именно о существовании двух отдельных видов субстанций, которые не связаны напрямую.

Темную материю можно без преувеличения назвать одной из главных загадок Вселенной. Стоит напомнить: это сугубо гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитное излучение и напрямую не взаимодействует с ним. Если говорить проще, то ее невозможно обнаружить напрямую, используя существующие методы, однако расчеты показывают, что она существует. Причем не просто существует, но и занимает 22% от всего состава Вселенной.

               То, что темная материя действительно есть, подтвердили многочисленные наблюдения за астрофизическими объектами, а также исследование гравитационных эффектов, которые они порождали.

               Тем интереснее для ученых оказалась новость об обнаружении галактики, где, согласно ранним исследованиям, темной материи практически нет. Речь идет о NGC 1052-DF2 — ультрадиффузной (то есть с крайне низкой светимостью) галактике в созвездии Кита. Астрономы оценили массу галактики, и она практически совпала с массой ее светил. Это и позволило сделать вывод об отсутствии темной материи.

               Однако сейчас исследователи усомнились в ранее полученных выводах. Международная команда во главе со специалистами Канарского института астрофизики решила перепроверить данные и неожиданно выяснила, что все аномальные измерения в предыдущем исследовании, которые указывали на отсутствие темной материи, зависели от расстояния до галактики, которое, как предполагали, составляет 64 миллиона световых лет. Используя данные обсерватории «Джемини» и космического телескопа «Хаббл», астрономы детально измерили расстояние до NGC 1052-DF2. 

               Полученные данные показали, что во время ранних исследований была допущена ошибка и настоящее расстояние до NGC 1052-DF2 — не 64 миллиона световых лет, а 42 миллиона. Исходя из этого, можно сделать вывод, что масса галактики составляет примерно половину от той, которую определили раньше, а масса звезд — лишь около четверти от того, что предполагал предыдущий анализ. 

               Таким образом, не только сама галактика имеет меньшую массу, но и доля «обычной» материи в ней меньше. Это подразумевает, что остальное должно быть темной материей.

               По существующим представлениям, большая часть вещества в нашем мире представлена темной материей. В отличие от обычной, она вступает лишь в гравитационные взаимодействия, а в остальном остается совершенно невидима и неощутима. Тем не менее именно ее огромная масса определяет рост галактик и образование крупномасштабной структуры Вселенной.

               Доминирующая на сегодня гипотеза «холодной темной материи» (CDM) подразумевает, что, помимо гравитации, они никак не взаимодействуют даже между собой. Менее распространенная гипотеза «самовзаимодействующей темной материи» (SIDM) считает, что такие частицы все же взаимодействуют за счет неизвестной «темной» силы.

               Обе теории дают схожие предсказания о том, как темная материя задает крупномасштабную структуру Вселенной, однако ее поведение и распределение по внутренним областям галактик описывают по-разному. Такое сравнение удалось провести, наблюдая пару довольно необычных галактик NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4 — спутниц более крупной NGC 1052, расположенных от нас примерно в 65 миллионах световых лет.

               DF2 и DF4 — ультрадиффузные галактики, отличающиеся совсем слабой светимостью. Предполагается, что в таких галактиках доля темной материи особенно велика: при крайне малом количестве звезд масса их может быть сравнимой с массой Млечного Пути. Однако в этот раз все оказалось не так. «Наблюдения DF2 и DF4 показали, что отношение темной материи к массе звезд равно примерно единице, раз в 300 меньше ожидаемого, — говорит руководитель группы исследователей, профессор Калифорнийского университета в Риверсайде Хай-Бо Юй (Hai-Bo Yu).

               Авторы работы предположили, что большую часть темной материи эти галактики потеряли из-за влияния гравитации массивной соседки NGC 1052. Чтобы проверить свою идею, они провели компьютерное моделирование этого процесса, опираясь на формулы как CDM-, так и SIDM-модели. Оказалось, второй вариант предсказывает потерю темной материи галактиками DF2 и DF4 намного точнее, чем распространенная модель «холодной темной материи».

               По словам ученых, в рамках CDM внутреннее гало темной материи получается «слишком жестким» и устойчивым к действию приливных сил со стороны соседней гравитирующей галактики. В результате материя покидает гало с большим трудом, тогда как на примере галактик DF2 и DF4 мы наблюдаем совершенно иное. Зато в модели SIDM взаимодействия между частицами темной материи облегчает их уход, позволяя появляться таким объектам как DF2 и DF4.

               Несколько лет назад ученые обнаружили весьма необычные ультрадиффузные галактики NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4, совсем тусклые из-за небольшого количества входящих в них звезд. Но главной их странностью стал дефицит темной материи: расчеты показали, что в DF2 и DF4 ее содержится на порядки меньше, чем предсказывают существующие теории. С тех пор астрономы регулярно возвращаются к этой загадке с новыми идеями и объяснениями, а некоторые даже выдвигают на этой основе весьма экзотические гипотезы о природе темной материи.

               Эти результаты основаны на 40 орбитах космического телескопа Hubble («Хаббл») и анализе под названием tip of the red giant branch («вершина ветви красных гигантов», TRGB), являющимся «золотым стандартом» таких высокоточных измерений. В 2019 г. команда опубликовала результаты измерений расстояния до соседней ультрадиффузной галактики NGC1052-DF4 (DF4), основанные на 12 орбитах «Хаббла» и TRGB-анализе, которые демонстрировали убедительные признаки отсутствия темной материи.

               Кроме подтверждения ранних результатов измерения расстояния, данные, собранные при помощи «Хаббла», подтверждают, что изучаемые галактики почти не содержат или не содержат вовсе темной материи. Если бы галактика DF2 находилась ближе к Земле, она была бы значительно менее яркой и менее массивной, и галактике требовалась бы темная материя для объяснения эффектов.

               Темная материя часто рассматривается как важный компонент галактик, однако это исследование представляет доказательства того, что ее присутствие не является необходимым. В случае галактик DF2 и DF4 исследователи смогли объяснить движение звезд, исходя только лишь из звездных масс.

               Движения далеких звезд и галактик показывают, что они испытывают притяжение невидимой темной материи (ее несколько раз больше, чем обычного вещества, из которого сложены сами галактики и звезды). Природа темной материи остается неизвестной, однако именно она определяет формирование крупномасштабных структур Вселенной, доминирует в звездных скоплениях, галактиках и их скоплениях.

               Лишь недавно астрономы стали открывать галактики, вовсе лишенные темной материи либо содержащие ее в крайне незначительном количестве. Как, например, карликовая NGC 1052-DF2 (или просто DF2), которую пару лет назад нашла команда Питера ван Доккума (Pieter van Dokkum) из Йельского университета. С тех пор обнаружили еще несколько подобных объектов, включая DF4, расположенную возле DF2. Эти галактики весьма озадачивают ученых, пытающихся понять, как те могли сформироваться без темной материи или как они ее потеряли.

               Одна из гипотез связывает их появление со столкновениями галактик. В результате такой «аварии» массы их темной материи могут продолжить свой путь, пройдя друг друга насквозь. А вот облака обычного вещества испытывают давление друг друга, замедляются, взаимодействуя, — и отделяются от темного вещества. На такой сценарий указывает и новая статья ван Доккума и его коллег, опубликованная в журнале Nature.

               Наблюдения за DF2 и DF4 показали, что траектории этих галактик стали расходиться из общей точки около восьми миллиардов лет назад. Более того, вместе с ними начали движение и другие карликовые галактики, бедные темной материей. Сегодня DF2 и DF4 входят в целую цепочку, включающую от семи до 11 таких объектов, расположенных от нас на расстоянии около 70 миллионов световых лет.

               Ученые предполагают, что эта структура может быть следом одной внушительной и древней катастрофы. Тогда галактики, столкнувшись, потеряли темную материю, а их обычное вещество, взаимодействуя, образовало новые скопления, которые растянулись цепочкой карликовых галактик. У лидирующего конца получившейся в результате структуры астрономы заметили образования, похожие на сгустки темной материи, — возможные останки того же столкновения.

11-10-1. Карта темной материи помогает ученым проникнуть в тайны истории ранней Вселенной

11-10-2. Опубликована карта распределения масс от Dark Energy Survey

11-10-3. Получены первые результаты нового обзора темной материи

11-10-4. Астрономы построили самые детальные карты распределения темной материи

11-10-5. Космологи создают новую карту движения темной материи

11-10-6. Ученые создали новую трехмерную карту распределения темной материи

11-10-7. Разработана новая карта темной материи, способная изменить понимание физики

11-10-8. Обзор неба Dark Energy Survey дает новые сведения об эволюции Вселенной

               Главный автор новой работы доктор Флорент Леклер (Florent Leclercq) из Института космологи и гравитации Портсмутского университета, Великобритания, говорит: «Темная материя представляет собой субстанцию неизвестной природы, которая, как сегодня считают ученые, составляет 80 процентов от общей массы Вселенной. Так как она не излучает свет и никак не реагирует на него, то распределение и эволюция этого вида материи не поддаются прямым наблюдениям и могут быть изучены лишь по косвенным признакам».

               Исследователи использовали в своей работе данные, собранные при помощи Слоуновского цифрового обзора неба в период с 2000 по 2008 гг. В рамках этого обзора неба были получены глубокие изображения одной пятой части неба и сняты спектры более чем 900000 галактик.

               Исследователи использовали в своей работе математические инструменты анализа фазового пространства и результаты, полученные в предыдущем исследовании этих авторов, проведенном в 2015 г., в рамках которого были воссозданы первичные условия в ближней части Вселенной.

               Эти новые карты темной материи охватывают участок Северного неба размером 600 мегапарсек.

               Полученные учеными данные о распределении темной материи со времен Большого взрыва могут перевернуть современное понимание физических законов, если подтвердятся.

               «Если дальнейшие данные покажут, что мы правы, это будет предполагать, что в нашем понимании Стандартной модели и Общей теории относительности чего-то не хватает», — говорит физик из Института теоретической физики имени Кавли Чиаки Хикаге.

               Хикаге и его коллеги проанализировали снимки 10 миллионов галактик, сделанные при помощи 870-мегапиксельного телескопа Subaru на Гавайях.

               Свет от некоторых галактик шел до Земли миллиарды лет. Учитывая этот факт, исследователи составили карту темной материи начиная со времен ранней Вселенной. Для этого ученым нужно было изучить, как сила гравитации изгибает свет.

               То, что они обнаружили, их удивило. Разработанная карта предполагает, что гигантская структура темной материи во Вселенной формировалась медленнее, чем считалось раньше. Похоже, эти результаты бросают серьезный вызов современному пониманию фундаментальных физических законов.

               Тем не менее, как отмечает Хикаге, новую карту необходимо сначала подтвердить, прежде чем делать далеко идущие выводы.

               «Приложив еще немного усилий, если нам удастся добиться более высокой точности, мы вполне можем найти что-то конкретное, — заявляет Хикаге. — Для меня это серьезный мотивирующий фактор».

_{AstroNews. 29 мая 2021}

(том – часть – глава)

               Напрямую подтвердить существование частиц темной материи ученые до сих пор не смогли. Правда, в 2010 году группа CDMS сообщала о регистрации одной частицы темной материи, однако статистическая значимость этого измерения была невысока, и в дальнейшем оно не подтвердилось.

               Ученые не теряют надежды и продолжают совершенствовать экспериментальные установки, призванные регистрировать частицы темной материи. В частности, о постройке нового детектора сообщает группа CDMS. Предыдущая версия разработанной ими установки состояла из 30 полупроводниковых кремний-германиевых детекторов размером с хоккейную шайбу, охлажденных до температуры около 0,6 кельвинов, и находилась на глубине чуть менее четырехсот метров в подземной шахте Судан в национальном парке Минессоты, чтобы снизить фоновый сигнал от нейтрино и космических частиц.

               Когда гипотетические массивные частицы темной материи (вимпы) пролетают через такую шайбу, они могут столкнуться с атомами кристаллической решетки и заставить их колебаться (такие колебания удобно описывать с помощью квазичастиц — фононов); кроме того, они могут ионизировать вещество, то есть выбить из него электроны. Оба этих эффекта легко отследить — сигнал ионизации можно считывать с помощью усилителей на полевых транзисторах, а фононы удобно отлавливать с помощью сверхпроводящих датчиков краевых переходов, основанных на сверхпроводящих квантовых интерферометрах (СКВИДах).

               К сожалению, частицы темной материи невероятно редко взаимодействуют с частицами Стандартной модели, и точности предыдущей версии установки не хватило, чтобы достоверно зарегистрировать хотя бы одно событие, отвечающее рассеянию вимпов. На этот раз ученые планируют охладить кремний-германиевые детекторы до еще более низкой температуры около 0,1 кельвина и увеличить их объем более чем в два раза, доведя радиус шайбы до десяти сантиметров. Кроме того, новая установка, получившая название SuperCDMS. сможет вместить 31 ряд, в каждом из которых помещается шесть детекторов, что позволит значительно ускорить поиски (правда, первые несколько лет на ней будет работать только четыре ряда). Наконец, SuperCDMS будет находиться не в шахте Судан, а в подземной лаборатории комплекса SNOLAB, оставшейся после экспериментов по поиску нейтрино и расположенной на глубине более двух километров. Таким образом, установка будет лучше защищена как от тепловых флуктуаций, так и от космического фона, который мешает отделить события, отвечающие рассеянию вимпов, от событий, связанных с другими частицами.

               Эксперимент XENON10 проводился в подземной лаборатории Гран-Сассо в течение марта 2006 года. Подземное размещение лаборатории обеспечило экранирование, эквивалентное слою воды толщиной 3100 метров. Кроме того, сам детектор был дополнительно экранирован, чтобы ещё уменьшить фоновый шум на ВПК. Вообще XENON10 расценивался как прототип детектора, основным его назначением было доказать эффективность самой концепции XENON, а также проверить достижимость тех или иных предельных значений, чувствительность и фоновую мощность. Детектор XENON10 содержал 15 килограмм жидкого ксенона. Размеры чувствительного объёма ВПК составляли 20 см в диаметре и 15 см в высоту.

               Dарксайд-50 имеет массу мишени из аргона 46 кг. Планируется трехлетний период и предлагается расширение в тоннах. Первоначальные результаты за месяц бега были опубликованы в 2014 году. Независимые от спина пределы были установлены с использованием 1422 кг×дней воздействия атмосферного аргона. Был найден предел сечения 6,1×10^-44 см² для вимпа мощностью 100 Гэв.

_{astronews.ru, 21 июля 2016}

               Самыми яркими точечными космическими источниками, излучающими в гамма-диапазоне, являются блазары, представляющие собой сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах далеких галактик. Кроме того, в меньших количествах гамма-лучи испускают нейтронные звезды определенного класса, называемые пульсарами, и гигантские звездные взрывы – сверхновые. Однако помимо этих различимых точечных источников зафиксировано фоновое гамма-излучение Вселенной, на долю которого приходится 75 процентов всего внегалактического гамма-излучения, принимаемого существующими детекторами. Источник этого так называемого изотропного излучения до сих пор не был точно установлен учеными. Основными источниками этого таинственного диффузного гамма-излучения могут являться блазары, слишком тусклые для обнаружения при помощи обсерватории «Ферми», или другие тусклые источники, считают некоторые исследователи. Другие исследователи предполагают, что вклад в формирование этого фона могут вносить частицы темной материи, гипотетически способные аннигилировать с высвобождением гамма-фотона.

               В своей новой работе доктор Маттиа Форнаса (Mattia Fornasa) из Амстердамского университета и ее коллеги показывают, что фоновое гамма-излучение Вселенной объясняется источниками двух различных типов: высокоэнергетических (> 1 ГэВ) и низкоэнергетических (< 1 ГэВ) источников. К высокоэнергетическим источникам, вносящим вклад в это фоновое излучение, авторы статьи на основании результатов своего анализа с уверенностью относят тусклые блазары, однако с низкоэнергетическими источниками ситуация представляется более сложной, и высказать однозначную версию об их происхождении исследователи пока не решаются. Однако, как отмечает команда, никаких аномалий, указывающих на фотоны, исходящие от частиц темной материи, в фоновом гамма-излучении Вселенной в ходе этого исследования зафиксировано не было.

               Существует несколько гипотез того, чем может быть темная материя. Согласно одной из самых популярных теорий — массивные, но слабо взаимодействующими с веществом частицы, WIMP. Их поисками занимается огромное число экспериментов по всему миру: серия экспериментов XENON, LUX, CoGeNT, CRESST и другие. Хотя об обнаружении эффектов, связанных с WIMP сообщал эксперимент DAMA, данные с более современных детекторов позволяют предположить, что это, скорее всего, случайные флуктуации. Поэтому больший интерес возникает к альтернативным объяснениям природы темной материи.

               Ряд работ рассматривают темную материю как топологические дефекты в пространстве-времени — сгустки в виде «стен». Такие сгустки должны локально изменять течение времени своим гравитационным полем, в согласии с общей теорией относительности.

               Авторы работы предложили исследовать эти изменения с помощью системы спутников GPS, каждый из которых оборудован высокоточными атомными часами. Уже в их движении по орбите Земли наблюдаются проявления теории относительности — часы словно бы торопятся на 46 микросекунд в день из-за гравитации планеты (относительно наземных) и одновременно отстают на 7,2 микросекунды в день, что учитывается в работе системы. В случае, если Земля проходит сквозь одну из таких «стен» темной материи, должна появиться дополнительная поправка, которая немного собьет часы.

               Земля двигается относительно центра Галактики со скоростью порядка 220 километров в секунду. По оценкам авторов, наша планета должна налетать на сгустки темной материи с характерной скоростью около 300 километров в секунду. Это означает, что сбой часов в GPS должен распространяться в течение почти трех минут на всех спутниках по очереди. Зафиксировать такое событие можно анализируя корреляции в сбоях атомных часов. Точность последних достигает одной миллиардной доли секунды (в десятки тысяч раз меньше поправок на ОТО).

               Подробное описание принципа анализа данных ученые опубликовали в 2014 году в журнале Nature Physics. Физики изучили данные, собранные за 16 лет работы системы спутников в поисках корреляций, временные периоды которых простирались от полутора минут до четырех часов. Однако обнаружить следов темной материи не удалось.

               Размер детектора, который использовали физики превышает диаметр Земли в четыре раза, но это не самая большая база, использованная для астрономических наблюдений. Космический радиотелескоп «Спектр-Р», способен проводить наблюдения одновременно с земными радиотелескопами, формируя общий детектор с апертурой в 350 тысяч километров.

               Теория холодной темной материи (Cold Dark Matter, CDM) является основной в современной космологии и астрофизике. Согласно этой теории, темная материя состоит из частиц, движущихся со скоростями много меньше скорости света и очень слабо взаимодействующих с обычной барионной материей, и играет ключевую роль в формировании галактик и скоплений галактик.

               Несмотря на то, что модель CDM хорошо объясняет крупномасштабную структуру вселенной, на более мелких масштабах существуют некоторые расхождения между экспериментальными данными и теорией. Например, наблюдения за местной группой выявили, что распределение плотности некоторых карликовых галактик не согласуется с предсказаниями CDM. В данной работе сообщают о еще одном таком несоответствии.

               Заключается это расхождение в следующем. Естественно предположить, что в скоплении галактик самая яркая и массивная из них (brightest cluster galaxy, BCG) находится в центре (точнее, центре масс). В результате некоторых событий (например, поглощения скоплением еще одной галактики) BCG может сместиться и начать колебаться с некоторой амплитудой около положения равновесия. По стандартной теории CDM эти колебания должны быстро затухать. В действительности это оказывается не всегда так.

               Физики смоделировали их и выяснили, на каком отдалении находятся центры масс обычной и темной материи в реальных скоплениях галактик. Для этого они использовали эффект сильного гравитационного линзирования. С помощью численного моделирования они проверили пять сценариев, в которых амплитуда колебаний BCG составляла от нуля до двадцати килопарсек, и посмотрели, как в них искажается свет. Затем ученые сравнили результаты расчетов с данными десяти подтвержденных примеров сильного линзирования, собранными телескопом «Хаббл», и построили реальное распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и BCG. Оказалось, что определенная таким образом амплитуда колебаний составляет около 12 килопарсек, что намного больше результата, полученного с помощью расчетов в предположении стандартной теории CDM.

               Авторы статьи надеются, что в дальнейшем более точные наблюдения за скоплениями галактик позволят лучше изучить колебания BCG и, возможно, понять, как себя в действительности ведет темная материя. Возможно, они подтвердят теорию теплой темной материи или взаимодействующей самой с собой темной материи.

               Обнаружить гравитационное действие темной материи несложно, например, наблюдая за движением галактик или искажением света, проходящего мимо галактических скоплений. Однако в прямых экспериментах, предполагающих, что электроны или атомные ядра должны рассеиваться на частицах темной материи (пусть и очень слабо), она до сих пор себя не проявила. Полученные экспериментально ограничения на сечения подобных процессов огромны — например, эксперименты на LHC устанавливают верхнюю границу для сечения 10⁻⁴⁶ ÷ 10⁻⁴² квадратных сантиметров.

               Хуман Давудиазл объяснил отсутствие прямых наблюдений темной материи тем, что рядом с Землей ее попросту нет. Ученый предположил, что взаимодействие между частицами темной и обычной материи осуществляется посредством бозона с очень маленькой массой (порядка 10⁻¹⁴ электронвольт), так что между этими частицами возникает сила отталкивания, которая имеет радиус действия, сравнимый с радиусом Земли. Такой подход к описанию взаимодействий используется в теоретической физике с тех пор как Юкава объяснил взаимодействие между адронами с помощью пиона.

               В результате вокруг Земли возникает эффективный потенциал, в котором частицам темной материи энергетически невыгодно находиться близко от планеты.

               Впрочем, нужно иметь в виду, что статья физика является чисто теоретической и предполагает только один из способов объяснить неудачи экспериментов по прямому детектированию. Более того, в этой статье теоретик не приводит никаких аргументов в пользу существования такой эффективной отталкивающей силы (кроме невероятно малых значений для сечения взаимодействия, полученных в экспериментах) и не вычисляет массу предложенного бозона каким-либо независимым способом. Тем не менее, экспериментально проверить эту гипотезу в принципе можно. Например, учет этого взаимодействия должен привести к поправкам при гравитационном линзировании на скоплениях галактик. Кроме того, если масса бозона достаточно мала и радиус действия сил оказывается сравним с радиусом орбиты Земли, в течение года число прямых регистраций рассеяния частиц темной материи на нуклонах будет изменяться, и эту зависимость можно померить экспериментально. Разумеется, если точность соответствующих экспериментов достигнет необходимой величины.

               В основе конструкции типичного детектора темной материи лежит огромная масса обычного вещества (например, жидкого ксенона), которая постоянно просматривается чувствительными детекторами, способными почувствовать даже очень слабую вспышку света. Расчет заключается в том, что при рассеянии частицы темной материи на частице обычной материи можно точно установить массу частицы, запустившей реакцию. Соответственно, чем больше масса детектора и чем дольше мы ведем наблюдение, тем выше вероятность увидеть рассеяние частицы темной материи. Способы детектирования и химический состав вещества у каждого детектора могут отличаться, однако основная цель всегда одинакова — увеличить массу рабочего вещества и удлинить период наблюдений.

               Тем не менее, датские физики-теоретики Тимон Эмкен (Timon Emken) и Крис Куварис (Chris Kouvaris) заметили, что помещение детекторов глубоко под землю может быть как преимуществом, так и недостатком. В самом деле, все такие эксперименты предполагают, что сечение взаимодействия частиц темной материи с частицами обычной материи слишком мало, чтобы километровый слой земли вызвал хоть сколько-нибудь заметное уменьшение их количества. С другой стороны, если сечение будет лежать в промежуточной области, то частицы темной материи будут все так же слабо взаимодействовать с обычным веществом, однако будут рассеиваться и тормозиться по пути к детектору. В этом случае увеличение массы и длительности периода наблюдений не поможет увидеть темную материю.

               Физики оценили число частиц, которое сможет зарегистрировать детектор при учете влияния земной коры. Учитывалось не только отражение частиц обратно в космос, но и уменьшение их скорости в результате рассеяния, поскольку из-за особенностей конструкции детекторы могут почувствовать только частицы с достаточно большой кинетической энергией.

               Ученые пересчитали ограничения на сечение взаимодействия темной и обычной материи, определенные в известных экспериментах (XENON1T, CRESST и DAMIC). Оказалось, что в диапазоне масс от 0,1 до 20 гигаэлектронвольт и сечениях от 10⁻²⁵ до 10⁻⁴⁷ квадратных сантиметров существует область параметров, которую не могут исследовать существующие подземные детекторы. В диапазоне масс от 0,1 до 0,3 гигаэлектронвольт подземные детекторы в принципе не могут зарегистрировать частицы темной материи, не зависимо от массы вещества и длительности наблюдений. Поэтому авторы статьи призывают строить детекторы не только под землей, но и на поверхности. Вероятно, для большей точности их даже придется запускать в верхние слои атмосферы подобно детектору XQC (X-ray Quantum Calorimeter experiment). При этом экспериментаторам придется придумывать, как избавиться от фонового шума частиц обычной материи

_{astronews.ru, 25 января 2019}

               В астрономическом масштабе движение объектов происходит почти исключительно под действием гравитации, однако наблюдаемые скорости некоторых небесных тел, например звезд в составе галактик, отличаются от расчетных в большую сторону, если исходить при расчете из массы только лишь видимой материи. Для объяснения этого феномена была предложена гипотеза невидимой, «темной» материи, облака которой окружают собой галактики и оказывают влияние на скорость звезд, входящих в их состав.

               «Три года назад коллеги из Университета Кейс Вестерн Резерв привели в своем исследовании доводы, бросающие тень сомнения на существование темной материи, – объясняет Чиара ди Паоло (Chiara Di Paolo), студент докторантуры института SISSA. – Анализируя кривые вращения 153 «классических» спиральных галактик, они получили эмпирическое соотношение между общим гравитационным ускорением звезд (наблюдаемым) и компонентом, который бы мы наблюдали в присутствии только лишь нормальной материи в классической ньютоновской теории».

               Для проверки этого соотношения ди Паоло и его коллеги провели анализ кривых вращения галактик других типов, отличных от «классических» спиральных галактик – 72 галактик с низкой поверхностной яркостью и 34 карликовых дисковых галактик. Исследователи получили более представительные результаты, предложив иное соотношение, которое помимо общего гравитационного ускорения и его «нормальной» компоненты также включает радиус галактики и параметры ее морфологии.

               Согласно авторам работы, это новое соотношение, полученное ими для выборки из 104 галактик, демонстрирует неточность ранее полученного эмпирического соотношения и позволяет разрешить сомнения относительно присутствия темной материи в галактиках, указывая однозначно на ее существование.

               Ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя — несмотря на десятки лет поисков и десятки миллионов потраченных долларов, детекторы так и не смогли поймать ни одной гипотетической темной частицы. Точность некоторых детекторов так высока, что они уже вплотную приблизились к нейтринному фону, ниже которого почувствовать гипотетические частицы в принципе невозможно.

               Вероятно, причины этих неудач заключаются в том, что практически все эксперименты по поиску темной материи сосредоточены на вимпах — тяжелых темных частицах, которые появляются в теории наиболее естественным образом. Более легкие частицы от таких детекторов ускользают. Поэтому физики перестраивают эксперименты на другие, менее ожидаемые диапазоны масс. Ученым сложно поверить в то, что материя, пусть и темная, может быть сделана не из частиц.

               Поддерживая эту тенденцию, группа ученых под руководством Бласа Кабрера (Blas Cabrera) также разработала прототип детектора, улавливающего частицы темной материи с массой менее одной тысячной массы протона. В основе предложенной схемы лежат алмазные кристаллы, выращенные путем химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD). По сравнению с другими детектирующими материалами, такие алмазы обладают рядом преимуществ. Во-первых, атомы углерода, из которых построена кристаллическая решетка алмаза, имеют небольшую массу (почти в десять раз меньше массы атомов ксенона), поэтому сильнее отклоняются при столкновениях с легкими частицами темной материи. Во-вторых, в алмазе легко распространяются фотоны и фононы. В-третьих, алмаз выдерживает очень сильные электрические поля (до 20 мегавольт на сантиметр). В-четвертых, CVD-алмазы практически не содержат примесей и дефектов. В-пятых, под алмазный детектор можно легко адаптировать техники, разработанные для установок на основе кремния или германия, поскольку все эти полупроводники обладают похожей структурой и свойствами.

               Авторы статьи утверждают, что в настоящий момент они уже работают над реальным прототипом детектора — массивами QET-сенсоров, лежащих в основе первого метода детектирования. Единственная проблема, которая может помешать сравниться с другими крупными экспериментами по поиску темной материи (XENON, CDMS, PandaX и так далее) — это высокая стоимость чистых кристаллов, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы. Тем не менее, ученые отмечают, что стоимость изготовления таких кристаллов с каждым годом уменьшается. В частности, уже сейчас килограмм CVD-алмазов можно купить по цене, сравнимой со стоимостью ксенона.

               На данный момент не существует полноценного объяснения феномену темной материи, а предложенные гипотезы могут использовать принципиально разные явления. Однако наибольшей популярностью среди ученых пользуется предположение о темной материи как о новой форме вещества, состоящей из частиц.

               В течение последних лет наибольшей популярностью пользовалась гипотеза вимпов (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, слабовзаимодействующая массивная частица), чья масса сравнима с известными компонентами обычной материи. Однако интенсивные поиски взаимодействий таких объектов с атомными ядрами на специальных детекторах, а также попытки получить их в столкновениях на ускорителях частиц не увенчались успехом, из-за чего данная модель постепенно теряет популярность.

               Сложившаяся ситуация заставляет теоретиков обращаться к не изученным ранее областям параметров. Некоторые ученые выдвигают идеи о сверхлегких частицах, таких как аксионы или размытая темная материя, а другие, наоборот, исследуют крупные тела, вплоть до первичных черных дыр с массами порядка солнечной.

               В работе американских ученых под руководством Гленна Старкмана (Glenn Starkman) исследуется вопрос о возможности существования частиц темной материи с макроскопическими массами порядка килограмма и производимых ими эффектах. Такие объекты могут быть экзотическими конгломератами известных частиц Стандартной модели.

               Подобные объекты, которые называют макросами, должны обладать плотностью порядка ядерной, то есть будут крайне малы даже при заметной для человека массе. Авторы напоминают, что многие диапазоны параметров уже исключены в других работах при помощи реликтового излучения, взаимодействия со светом, активности белых карликов и других явлений. Тем не менее, некоторые области пространства параметров остаются без ограничений.

               Исследователи предлагают рассмотреть человеческое тело в качестве детектора, «срабатывание» которого, то есть успешное взаимодействие с темной материей, приводит к смерти. Авторы сравнивают это с попаданием пули в плане выделяемой энергии (не менее 100 джоулей), но отмечают значительную разницу в других параметрах: макросы должны двигаться примерно со скоростью 250 километров в секунду, а сечение взаимодействия составлять порядка квадратного микрона. Соответственно, макросы порождают иные повреждения — вместо заметного отверстия они должны нагревать расположенный вдоль траектории движения участок ткани в форме цилиндра до температуры порядка 10 миллионов кельвин, то есть превращать его в плазму.

               Так как во многих странах существует достаточно надежная статистика об отсутствии смертей от подобных повреждений, то это позволяет наложить ограничения на массы макросов. Физики делают вывод, что подобных частиц с массами менее 50 килограмм не может существовать. Если же массы макросов больше, то их концентрация не очень велика и вероятность столкновения с человеком также низка, однако накопление статистики будет улучшать эту оценку.

               На данный момент нет убедительных данных о существовании частиц темной материи, только верхние ограничения на параметры их взаимодействий с обычным веществом. Как правило, эти результаты получены в экспериментах, где физики ищут соударения частиц темной материи с электронами или ядрами обычных атомов, из-за чего последние приобретают заметную скорость и вызывают срабатывание детектора.

               Однако частицы в рамках ряда гипотез о природе темной материи, в том числе неупругой темной материи и сильно взаимодействующей темной материи, не должны передавать значительное количество энергии, что делает существующие методы поиска неэффективными. Данные идеи остаются значительно хуже протестированными с помощью опытов по прямому поиску.

               Максим Поспелов (Maxim Pospelov) из Института теоретической физики Периметр в Канаде и его коллеги из США предложили способ обойти данное ограничение. Для его реализации необходимо обеспечить взаимодействие низкоэнергетической частицы темной материи с ядром в метастабильном состоянии. В таком случае ядро вернется в основное состояние, а выделившаяся энергия будет распределена между частицей темной материи и излученным фотоном. В результате получается ускоритель для темной материи, который может перевести энергию искомых частиц в подходящий для регистрации диапазон.

               Для реализации задумки рядом с обычным детектором темной материи необходимо поместить резервуар с метастабильными ядрами. Необходимо подобрать ядра с малой вероятностью спонтанного перехода в основное состояние, чтобы они могли оставаться метастабильными в течение долгого времени.

               Теоретически, такой метод предоставляет три возможности наблюдать искомый сигнал: по излучению фотона при распаде метастабильного состояния, по вторичному рассеянию темной материи в теле детектора или по распаду самой частицы темной материи из-за получения большой энергии.

               Авторы называют четыре изомера наиболее подходящими для этой цели: 180mTa, 177mLu, 137mBa и 78mHf. Для времени полураспада тантала существует лишь нижняя граница на уровне 10¹⁶ лет, у бария оно равно 2,55 минутам, у лютеция — 160 дням, а у гафния — 31 году. Тантал можно добывать из естественных источников, данный изомер настолько устойчив, что его распад никогда еще не наблюдался, барий накапливается в отходах атомных реакторов, лютеций — в отходах от радионуклидного лечения рака, гафний остался от неудавшихся старых экспериментов по попыткам сохранения энергии в метастабильных изомерах.

               Американская исследовательская группа из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета под руководством Джеффа Дрора (Jeff Dror) представила новый метод поиска гипотетических частиц. Авторы сосредоточились на реакциях поглощения — в отличие от рассеяния, при котором происходит обмен только кинетической энергией, в таких процессах налетающая частица передает мишени (как правило, атомному ядру) еще и свою энергию покоя. Реакцию можно обнаружить по ее продуктам — частицам, рождающимся в результате столкновения. Их характеристики измеряют при помощи специальных детекторов, после чего, используя законы сохранения, определяют тип налетающей частицы и ее свойства.

               Ученые исследовали два вида реакций: в одном случае продуктом становится нейтрино, а в другом — бета-частица (то есть электрон или позитрон). При этом для рассмотренных мишеней оба процесса не могут происходить самопроизвольно: для их протекания нужна дополнительная энергия. Последнее позволяет исключить ошибочные сигналы: в таких условиях регистрация нейтрино или бета-частицы на детекторе гарантирует, что в мишень что-то врезалось, и необходимо лишь установить тип налетающей частицы.

               По результатам исследования авторы установили, что в реакциях с испусканием нейтрино, которые протекают при участии частиц темной материи, ядро-мишень приобретает строго определенные значения энергии. Это позволит в будущем легко отсеивать лишние данные — то есть снизить фон и улучшить чувствительность экспериментов. Для процессов с участием бета-частиц физики предсказали целую цепочку последующих реакций, которой сопутствует рождение ряда известных частиц. Благодаря этому обнаружить поглощение также становится значительно проще. Кроме того, ученые заключили, что для поиска темной материи по новой методике можно использовать уже существующие детекторы. Их чувствительность позволяет если не обнаружить гипотетические частицы, то, по меньшей мере, получить важные ограничения на их параметры, которые помогут в дальнейших экспериментах. Таким образом, в этой области можно добиться значительного прогресса, затратив минимальные усилия на приспособление установок.

               «Скопления галактик представляют собой идеальные лаборатории для изучения адекватности численных моделей эволюции Вселенной путем сравнения их с картами распределения темной материи, доступными, благодаря гравитационному линзированию света далеких галактик на сгустках темной материи, расположенных внутри скоплений галактик», - сказал главный автор нового исследования Массимо Менегетти (Massimo Meneghetti) из Обсерватории астрофизики и наук о космосе Итальянского национального астрофизического института.

               В своей работе Менегетти и его коллеги составили карты распределения темной материи, оценив его по характеру гравитационного линзирования света далеких галактик на близлежащем скоплении галактик. При прохождении сквозь массивное скопление галактик свет, идущий от далекого источника, претерпевает искажения, зависящие от характера распределения массы – которая в основном представлена темной материей – внутри скопления галактик. Астрономы на Земле анализируют характер искажений света далеких галактик на близлежащем скоплении галактик и могут составить по результатам этого анализа карту распределения темной материи в скоплении галактик, играющем роль гравитационной линзы.

               Когда Менегетти и его команда изучили линзирование света на скоплениях галактик MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 и Абель S1063, они нашли изображения далеких галактик, искаженные на гравитационных линзах малого масштаба – отдельных галактиках, лежащих близ центров галактических скоплений. В то же время современные компьютерные коды не смогли воспроизвести сгустки темной материи, характеризуемые настолько большой интенсивностью гравитационного линзирования света далеких источников, в масштабе отдельных галактик. Это позволило сделать вывод об отсутствии в современных компьютерных моделях важного фактора, контролирующего распределение темной материи на малых масштабах, отмечают авторы.

               Темной материи нет места в общепринятых моделях, описывающих многообразие частиц и взаимодействий в нашем мире, в том числе в Стандартной модели, что указывает на ее неполноту. Но чтобы подтвердить или опровергнуть новые теории, которые пытаются объяснить существование этого скрытого типа материи, физикам необходимо получить представление о ее свойствах, в первую очередь о массе темных частиц. Поэтому так важно прямое экспериментальное обнаружение темной материи: оно позволило бы не только подтвердить ее существование, но и помочь понять ее природу.

               Дэниэл Карни (Daniel Carney) из университета Мэриленд предложил детектировать частицы темной материи с массой больше массы Планка (22 микрограмма или 1,22 × 10¹⁹ гигаэлектронвольт в рациональной системе единиц) с помощью массива маленьких маятников. Как показали расчеты Карни и его коллег, для эффективного детектирования частиц темной материи масса груза маятника может варьироваться в диапазоне между микрограммами и граммами, а число маятников в детекторе должно быть порядка миллиарда. Прохождение тяжелой темной частицы через систему равномерно расставленных маятников должно привести их в коррелированное движение, которое можно выделить из общего шума и фона. По величине отклонения маятника можно также судить и о массе детектируемой частицы.

               Сложность таких измерений заключается в крайне малом отклонении маятников, сопоставимым с квантовым шумом, а также время взаимодействия: при средней скорости темной частицы в 220 километров в секунду характерное время взаимодействия не превышает 10^-8 секунды. Поэтому в такой системе особо важную роль играет система подавления шума, связанного с квантовыми колебаниями, фоновыми событиями и «ошибками» регистрации.

               Авторы отмечают схожесть возникающих в такой системе маятников квантовых шумов с теми, с которыми успешно борются на детекторе гравитационных волн aLIGO, ссылаясь на успех последнего. Ученые говорят и об области применимости подобного детектора в рамках современных представлений о темной материи: при такой массе темная частица наверняка не будет элементарной и может представлять собой темное ядро или связанный сгусток темных кварков. Однако при повышении числа маятников в детекторе есть вероятность, что в зону его чувствительности попадут и тяжелые элементарные частицы темной материи в рамках потенциальной теории Великого объединения.

               Аксионы и хамелеоны, которые искал CAST, — одни из вероятных кандидатов на роль частиц темной материи. Хамелеоны, к примеру, меняют свою эффективную массу в зависимости от окружения. Аксионы были введены для того, чтобы объяснить, почему в сильном взаимодействии не нарушается CP-симметрия. Все они очень слабо взаимодействуют с веществом и заметить их можно лишь при определенных условиях. К примеру, считается, что в сильных магнитных полях и аксионы и хамелеоны способны осциллировать в фотоны. Одним из наиболее перспективных источников аксионов физики называли плазму в ядре Солнца.

               Именно для поиска солнечных аксионов и был построен CAST. В основе телескопа лежит прототип дипольного магнита коллайдера. Пустая трубка, по которой предполагалось пускать протоны, служит в устройстве зрительной трубой. Аксионы (как и другие возможные кандидаты на частицы темной материи), по замыслу ученых, могут превращаться в сильных магнитных полях в фотоны высоких энергий — рентгеновского диапазона — и регистрироваться соответствующим детектором. До сих пор телескоп не обнаружил следов экзотических частиц.

               В новом сеансе наблюдений в роли потенциального источника аксионов и хамелеонов выступала сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики. По словам ученых, она может стать источником частиц, которые человечество сможет детектировать на современном уровне технологического развития. Солнце в этом эксперименте представляет собой гравитационную линзу, которая своим притяжением может искривить траектории пролетающих частиц и увеличить интенсивность их потока вплоть до миллиарда раз. Физики отмечают, что помимо рентгеновских детекторов, в эксперименте использовался еще один чувствительный инструмент — мембрана для поиска хамелеонных частиц.

               Сейчас команда телескопа обрабатывает полученные данные, но по предварительной информации, никаких новых частиц от черной дыры прибор не зафиксировал.

               К сожалению, экспериментально существование аксионов Стандартной модели подтверждено не было. Тем не менее, несколько альтернативных теорий — например, теория Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова — предсказывают существование так называемых «темных аксионов», которые значительно слабее взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Такие аксионы могут составлять значительную часть темной материи, поэтому важно научиться их детектировать. Пока что все существующие эксперименты по поиску аксионов имеют слишком низкую точность, чтобы проверить какие-либо параметры теорий.

               Группе ADMX удалось построить детектор, который должен регистрировать аксионы с достаточно высокой точностью, чтобы проверить предсказания теоретических моделей. Ученые отработали технологию распознавания аксионов с помощью компьютерного моделирования. Для этого они смоделировали аксионы с заданной массой и проверили, что будет видеть детектор.

               Всего измерения заняли шесть месяцев и продлились с 18 января по 11 июня 2017 года. Ни одного сигнала, отвечающего аксионам, зарегистрировано не было. Тем не менее, точность измерений оказалась так высока, что позволила установить ограничения на параметр аксион-фотонной связи, который описывает взаимодействие между гипотетическими частицами и фотонами Стандартной модели. Другими словами, если аксионы с массами из рассмотренного диапазона все-таки существуют, теории Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова они не подчиняются.

               Один из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи — это темный аксион, гипотетическая сверхлегкая частица. Теоретические исследования показывают, что аксионная темная материя может образовать устойчивые структуры, связанные силой гравитационного притяжения. В зависимости от того, какие значения массы аксиона и константы распада (характерного масштаба нарушения симметрии) реализуются в природе, такие структуры относятся к одному из трех типов (фаз). Во-первых, они могут быть стабильны на протяжении всего своего существования; в таком случае говорят об аксионных звездах (или бозонных звездах), аналогичным звездам из обычной материи. Во-вторых, темная материя может сжиматься под действием собственной гравитации и превращаться в черную дыру. Наконец, бозонные звезды могут излучать большие количества релятивистских аксионов, напоминая сверхновые из астрофизики или Бозеновы (Bosenova) из физики конденсированного состояния. Как правило, определить, какой именно тип реализуется при заданных значениях параметров, очень сложно — точное решение задачи до сих пор не найдено, а численные расчеты требуют большой вычислительной мощности. Тем не менее, в прошлом году группа ученых под руководством Рикардо Беериль (Ricardo Becerril) выполнила такой расчет с помощью суперкомпьютера COSMOS и построила фазовую диаграмму бозонных звезд.

               В новой статье физики Флорен Мишель (Florent Michel) и Ян Мосс (Ian Moss) воспроизвела результат группа Беериль на обычном домашнем компьютере, разработав менее требовательный алгоритм. В основу расчета исследователи положили схему интегрирования в нулевых координатах (null-coordinate integration scheme), придуманную в 1987 году израильскими теоретиками Далей Голдвир (Dalia Goldwirth) и Цви Пираном (Tsvi Piran). В этом методе координатная сетка выбирается таким образом, чтобы наиболее точно ухватить детали коллапса (она «втекает» в объект вместе с коллапсирующей материей). В результате система уравнений поля сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которую, по словам авторов статьи, можно численно проинтегрировать за несколько минут на обычном домашнем компьютере.

               В результате исследователям удалось воспроизвести картину, полученную в предыдущей работе — увидеть четкие границы между фазами и тройную критическую точку, в которой сходятся фазы бозонной звезды, черной дыры и Бозеновы. Тем не менее, положение критической точки существенно отличалось от найденного ранее, хотя и совпадало с нерелятивистским пределом. Кроме того, граница между фазами Бозеновой и черной дыры оказалась размытой — конечное состояние звезды сильно зависело от начальных условий, и заранее предсказать его по соседним точкам было невозможно.

               До недавнего времени наибольшей популярностью пользовалась модель вимпов (WIMPs, Weakly interacting massive particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). По массе эти частицы должны быть в десятки раз тяжелее протона, однако ни опыты по прямой регистрации, ни эксперименты на коллайдерах не нашли искомых сигналов. Из-за этого многие ученые начали уделять активное внимание альтернативным моделям.

               Среди альтернативных вимпам идей есть класс теорий, в рамках которых темная материя состоит из очень легких частиц. В частности, к этому типу относится «размытая» темная материя, массивный темный фотон и аксионы.

               К идее аксионов вновь вернулись в контексте темной материи, так как они хорошо вписывались в модель темной материи из легких частиц. В отличие от многих других вариантов, у аксионов должно быть специфическое взаимодействие с электромагнитным полем в определенных условиях, так как аксион и фотон с точки зрения теории оказываются связаны. В частности, в сильных полях одни должны превращаться в другие. Именно это свойство является концептуальной основой экспериментов, называемых «свет сквозь стену»: мощный поток света направляют в магнитное поле перед стенкой, фотоны поглощаются, а аксионы проходят сквозь нее, после чего часть из них превращается обратно в фотоны, которые регистрирует приемник.

               В основе эксперимента ABRACADABRA (A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus — широкополосный резонансный подход к поиску космических аксионов с усиливающей сигнал кольцевой установкой, создающей магнитное поле) лежит эффект порождения переменного магнитного поля при попадании аксиона в постоянное поле. В таком случае должно создаваться поле, аналогичное генерируемому переменным током, чей вектор плотности параллелен внешнему полю. Детектором в данном случае является СКВИД-магнитометр, помещенный в центр тороидального магнита. Так как масса аксионов невелика, то и появляющееся поле будет слабое — ученые создавали установку с надеждой зафиксировать колебания на уровне 20 аттотесла, то есть примерно в 10¹² раз слабее магнитного поля Земли.

               В то время как большинство экспериментом по поиску аксионов искали частицы с массами от 10 до 100 микроэлектровольт, ABRACADABRA чувствительна к еще более легким частицам. Регистраций зафиксировано не было, что позволило установить ограничения на степень спаривания аксиона с фотоном. Данные результаты получены за месяц работы и уже почти достигают по точности оценки более крупного эксперимента CAST.

               В новом исследовании ученые обратили внимание на еще одну гипотезу – согласно которой аксионы собираются в облака вокруг черных дыр. До настоящего времени ученые не могли проверить эту гипотезу, поскольку не располагали снимками поляризации света, испускаемого в окрестностях черной дыры. Но ситуация изменилась в прошлом году, когда телескоп EHT сделал снимки черной дыры галактики М87.

               Согласно теории, облако аксионов вокруг черной дыры изменяет поляризацию света, испускаемого в ее окрестностях, вызывая флуктуации. Авторам пришлось отфильтровать все другие возможные источники, способные вызвать флуктуации поляризации. В результате  авторы пришли к выводу, что остаточный уровень флуктуаций исключает возможность наличия сверхлегких аксионов в облаке. Использованные авторами методы применимы также и к поискам аксионоподобных частиц в окрестностях других черных дыр.

               Аксионы — это гипотетически бесспиновые частицы с малой массой, которые появились в физике в качестве решения сильной CP-проблемы, то есть нарушения комбинированной четности в квантовой хромодинамике. Низкая интенсивность взаимодействия аксионов с обычной материей, а также их возможная роль в эволюции ранней Вселенной делают из них хороших кандидатов на роль темной материи. Существуют также теории на основе аксионоподобных частиц, которые отличает более сильное взаимодействие аксионов со светом. Примером таких теорий стали модель когенеза или модели фотофильных и фотофобных частиц.

               Несмотря на огромный интерес со стороны физиков, аксионы или аксионоподобные частицы так и не были обнаружены. Отрицательный результат, однако, полезен тем, что отсеивает часть теоретических моделей, которые предсказывают массы частиц в самом разнообразном диапазоне. Поэтому физики продолжают эксперименты, чтобы покрыть ими еще не исследованные значения.

               Одним таких экспериментов стал проект ORGAN (Oscillating Resonant Group AxioN), базирующийся в Университете Западной Австралии. Установка ORGAN представляет собой охлажденный до низких температур резонатор, находящийся в магнитном поле, который называется галоскоп. Принцип работы галоскопов основан на обратном эффекте Примакова, который заключается в превращении аксиона в фотон под действием еще одного фотона. Магнитное поле в этом случае выступает в качестве источника этих дополнительных (виртуальных) фотонов, а резонатор призван усилить рождение реальных фотонов на определенных частотах. Частота рождаемого фотона, в свою очередь, определяется массой аксиона или аксионоподобной частицы. Меняя параметры резонатора, физики могут сканировать диапазон в поисках сигнала.

               План работы эксперимента ORGAN рассчитан на диапазон от 15 до 50 гигагерц, что соответствует массе аксионов 62 — 207 микроэлектронвольт, однако на первом этапе физики проверили область 15,28 — 16,23 гигагерц (63 — 67 микроэлектронвольт), соответствующую гипотезе когенеза. Правда, они просканировали только 74 процента задуманного диапазона из-за нескольких паразитных частотных полос, вызванных неидеальностью медных цилиндров. Однако в измеренном диапазоне ученые не увидели дополнительных фотонов, надежно исключив для соответствующих масс предсказания теории.

               Темная материя возникла в астрофизике в ответ на попытку объяснить различные аномалии, наблюдаемые в реликтовом излучении, вращении галактик, гравитационном линзировании и многом другом. Сегодня перед физиками стоит задача воспроизвести феноменологические свойства темной материи из первых принципов, включив в Стандартную модель новые частицы или модифицировав уже известные, и она пока не решена.

               Сегодня сделано множество попыток объяснения свойств темной материи. К числу наиболее перспективных гипотез можно отнести ее представление через вимпы — массивные частицы — и через аксионы — легкие частицы. Ни те, ни другие пока не обнаружены напрямую в лабораториях или астрофизических наблюдениях. Эксперименты и симуляции по большей части приводят лишь к отсеиванию диапазонов масс, в которых должны находиться эти гипотетические частицы.

               Несмотря на такой дефицит знания о конкретных свойствах частиц темной материи, ученые четко могут выделить качественную разницу в ее поведении для разных гипотез. Так, малость дебройлевской длины волны тяжелых вимпов (обычно более нескольких гигаэлектронвольт) гарантирует их корпускулярное поведение на астрономических масштабах. Вместе с тем, длина волны сверхлегких аксионов (порядка 10−22 электронвольт) сопоставима с размерами галактических гало. В последнем случае волновая природа темных частиц может проявиться в астрономических наблюдениях.

               Альфред Армут (Alfred Amruth) из Гонконгского университета вместе с коллегами из шести стран исследовали то, как разница между волновой и корпускулярной темной материей сказывается на эффектах гравитационного линзирования галактиками. Они показали, что аксионная модель лучше воспроизводит аномалии яркости и положения, чем модель с вимпами, которая обычно требует добавления субгало. Астрономы проверили свои расчеты на примере реальных наблюдений.

               Модель массивных частиц темной материи допускает неоднородность их плотности во Вселенной. Предполагается, что вимпы концентрируются вокруг центра галактик, формируя галактическое гало. Важно при этом, что флуктуации их плотности не слишком большие в силу характера взаимодействия этих частиц и их массы.

               Поведение сверхлегких аксионов на галактических масштабах, напротив, подчиняется квантовомеханическим законам. В частности, область притяжения создает для них потенциальную яму, в которой частицы стремятся занять состояния стоячих волн. Самоинтерференция аксионов допускает существенно большие флуктуации их плотности: от полного нуля до удвоенного значения. С помощью численного моделирования ученые убедились, что такие большие флуктуации существенно сказываются на яркости и положении фонового объекта.

               Они применили свои модели к системе HS 0810+2554. Она включает в себя массивную эллиптическую галактику на переднем плане, которая четырехкратно линзирует фоновую галактику-квазар. Ее изображение в видимом диапазоне получил телескоп Хаббл, а в радиодиапазоне — сеть интерферометров EVN.

               Задачей моделирования было наилучшим образом предсказать положение на изображении двух джетов в радиодиапазоне и видимой части квазара при четырехкратном линзировании. Это наложило ограничение на распределение радиальной плотности темной материи. Для модели на основе вимпов авторы остановили свой выбор на эллиптическом степенном профиле без внешнего сдвига. При выборе распределения аксионной плотности астрономы отталкивались от этого результата, но учитывали случайным образом сгенерированные интерференционные флуктуации, погашенные на 50 процентов барионным фактором. В сравнение они включили 75 сценариев генерации.

               В результате выяснилось, что подход на основе тяжелых частиц все еще неспособен учесть аномалии яркости и положения для HS 0810+2554. Аксионная модель также не смогла дать полного объяснения, однако авторы показали, что в этом случае можно воспроизвести распределение углового разделения между различными элементами из разных сегментов изображения. Кроме того, модель на основе легких части способна воспроизвести отношение интенсивностей джетов, а также аномалию яркости. Астрономы уверены, что их анализ послужит дополнительным аргументом в пользу аксионного подхода к темной материи.

               Установка состоит из двух оптических резонаторов общей протяженностью 250 метров в сильном магнитном поле, достигающем 5,3 тесла. Идея опыта заключается в том, что фотоны из первого резонатора могут превратиться в аксионы, туннелирующие во второй резонатор и превращающиеся там обратно в фотоны.

               Физики планируют, что чувствительности детектора будет достаточно, чтобы регистрировать один фотон в день. Однако сначала ученые собираются работать в ослабленном режиме, чтобы понять характер фона. Полная чувствительность будет достигнута во второй половине 2023 года, а в 2024 установку ожидает модернизация.

               В первоначальном варианте заметки сообщалось, что DESY — это синхротрон. На самом деле это целый исследовательский комплекс, который включает в себя синхротрон (название DESY расшифровывается как Deutsches Elektronen-Synchrotron). Тем не менее, эксперимент ALPS II не имеет прямого отношения к синхротронному излучению: он лишь использует инфраструктуру и оборудование комплекса.

               По современным представлениям темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше обычного вещества. Она не участвует в электромагнитных взаимодействиях и поэтому недоступна прямому наблюдению. Наиболее вероятные кандидаты на роль темной материи — вимпы — до сих пор экспериментально не обнаружены. Поэтому ученые рассматривают и другие теории о составе темной материи: от сверхлегких частиц, например, аксионов, до первичных черных дыр.

               Ранее ученые уже использовали данные атомных часов для ограничения параметров ультралегкой темной материи с массой менее 10^-16 электронвольт. На этот раз физики Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons) с коллегами из университета Сассекса и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне предложили новый модельно-независимый подход к изучению временных вариаций фундаментальных констант при анализе данных атомных часов. При этом количество свободных параметров увеличилось, что по мнению ученых позволит тестировать различные модели и их константы связи.

               Чтобы проверить новый подход в действии, физики использовали три типа атомных часов: на основе атомов стронция Sr в решетчатой ловушке, на основе ионов иттербия Yb+ в ловушке Пауля и атомные часы на цезиевом фонтане Cs. Частоты всех часов измерялись относительно водородного мазера, после чего рассчитывались отношения частот Yb+/Sr, Yb+/Cs и Sr/Cs. Это позволило исключить возможные ошибки, связанные с нестабильностью работы мазера из-за изменения параметров окружающей среды. Генерируемые частоты во всех часах зависят от соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона. Поэтому из взаимных измерений частот трех часов можно получить колебания со временем этих констант. Особенностью эксперимента стала независимость измерений от предполагаемой функциональной зависимости констант от времени. Поэтому полученные ограничения могут быть использованы при рассмотрении любых гипотетических моделей.

               Астрофизические данные показывают, что во Вселенной, помимо обычного вещества (звезд, планет, газопылевых облаков) имеется много темной материи. Она состоит из частиц нового, неизвестного сорта, которые физики безуспешно пытаются зарегистрировать. Стандартный эксперимент по прямому детектированию частиц темной материи выглядит так. Темная материя заполняет собой нашу галактику, и все объекты в ней, включая Землю, как бы «продираются» сквозь встречный поток частиц темной материи. Из-за мизерной вероятности взаимодействия частиц темной материи с веществом мы этот поток не замечаем. Он «дует» и сквозь установленный под землей детектор, заэкранированный от посторонних воздействий. И лишь очень редко какая-то частица темной материи сталкивается с атомом в глубине большого детектора и передает ему небольшую энергию. Если детектор достаточно чувствителен, он сможет это энерговыделение измерить и зарегистрировать событие. Задача экспериментатора — обнаружить хоть один достоверный акт такого столкновения.

               Такой метод поиска особенно чувствителен к частицам темной материи с массой, примерно равной массе атомного ядра, то есть около нескольких десятков гигаэлектронвольт. При поиске более легких частиц, с массой меньше массы протона, детектор уже «слепнет». Главная причина здесь — порог чувствительности датчиков. Легкая частица темной материи обладает маленькой кинетической энергией, да еще и передает атому при столкновении лишь мизерную ее часть. Поэтому, несмотря на десятилетия поисков, огромный диапазон на шкале масс частиц темной материи ниже массы легких ядер остается практически непроверенным, хотя теоретически он вполне разрешен.

               В статье предлагается создать детектор нового типа, который будет чувствителен к частицам темной материи легче электрона. Основывается эта методика на явлении сверхпроводимости. Удар легкой частицы темной материи непосредственно по электрону (а не по атомному ядру) приведет к выделению энергии меньше одного электронвольта. В сверхпроводнике тогда возникнет долгоживущее возбуждение, которое будет зарегистрировано чувствительным датчиком.

               Авторы оценили ожидаемый темп регистрации частиц темной материи разных масс и продемонстрировали, что если этот метод будет реализован, он единым махом расширит доступный исследованиям диапазон на несколько порядков. Конечно, от этой общей схемы и до работающего прототипа лежит длинный путь. Однако авторы статьи надеются, что сам факт принципиальной возможности протестировать легкие частицы темной материи послужит хорошим стимулом для развития технологии.

               В новом исследовании ученые европейского научного проекта CRESST-II используют так называемый метод «фононового свечения» для обнаружения темной материи. В своей работе исследователи впервые использовали инновационный детектор с настолько низким порогом срабатывания, что он может обеспечить чувствительность, требуемую для обнаружения прежде не уловимых частиц темной материи.

               Экспериментальное обнаружение частиц темной материи напоминает по форме изучение столкновения бильярдных шаров, так как при этом происходит рассеяние частицы темной материи на ядре атома. Этот метод обнаружения частиц темной материи основан на явлении нагрева за счет столкновений кристалла вольфрамата кальция (CaWO4).

               Проблема при таком методе исследования состоит в том, что чем легче частица, тем меньше накопленной энергии остается в кристалле после столкновения. Поэтому беспрецедентная чувствительность детектора CRESST-II делает его уникальным инструментом для обнаружения частиц темной материи.

               Все существующие детекторы построены в надежде засечь редкое столкновение частицы темной материи с частицей детектора. Но такой подход сработает только если темные частицы имеют достаточно большую массу, и их энергии хватит, чтобы столкновение удалось засечь.

               Принцип работы нового устройства, которое авторы называют «радио для темной материи», основан на явлении корпускулярно-волнового дуализма — фундаментального свойства нашего мира, согласно которому все элементарные частицы проявляют также и волновые свойства. Например, фотон является частицей света, но поток фотонов обычно воспринимается как электромагнитная волна — в зависимости от его частоты это может быть свет, СВЧ-излучение, радиосигнал и так далее. Но фотон это все же частица, поскольку попадая на детектор, он всегда вызывает один четкий щелчок, а не нечто «размазанное» в пространстве или времени.

               Разработанный прибор будет вести поиски двух конкретных кандидатов в частицы темной материи: темных фотонов и аксионов. Темные фотоны — это гипотетические аналоги привычных нам фотонов, но принадлежащие так называемому темному или скрытому сектору частиц — группе частиц, появляющейся в многочисленных расширениях Стандартной модели элементарных частиц. Аксионы — это также гипотетические частицы из темного сектора, и они могут превращаться в фотоны и обратно в присутствии сильного магнитного поля.

               «Радиоприемником» свой прибор авторы называют потому, что принцип его работы похож на принцип работы обычного радио - оно ловит радиоволны при помощи антенны и переводит пойманный сигнал в звук.

               Ученые будут медленно перестраивать частоту своего радио, в поисках той частоты, на которой присутствует сильный сигнал темной материи. Поскольку, однако, даже в резонансе сигнал от темной материи ожидается слабым — иначе бы его уже давно засекли — то для увеличения чувствительности детектора используют специальные магнитометры, известные как сверхпроводящие квантово-интерференционные устройства (СКВИД).

               В конечном итоге радио будет способно засечь частицы с массой от нескольких ТэВ до нескольких МэВ (эВ — электрон-вольт, единица в которой принято измерять массу элементарных частиц: например, масса электрона около 0,5 МэВ, а масса протона — около 1 ГэВ). Проблема в том, что для этого ему придется работать на частотах от килогерца до гигагерца — то есть в том диапазоне, который активно используется для беспроводной связи.

               Одним из преимуществ разработанного устройства по сравнению с другими детекторами заключается в том, что его не надо прятать от космических лучей и зарывать на сотни метров под землю. Местом его размещения станет Стенфордский университет и SLAC.

               Одним из вероятных кандидатов на роль части холодной темной материи являются вимпы (WIMP, weakly interacting massive particles) — гипотетические частицы, которые могут влиять на обычную материю только через слабое или гравитационное взаимодействия.

               Обычно считается, что масса вимпов находится в диапазоне от 10¹⁰ до 10¹² электронвольт. Однако частиц темной материи с такими массами до сих пор найдено не было. Поэтому были разработаны теоретические модели, из которых следует, что масса гипотетических частиц может быть меньше 10 гигаэлектронвольт, и проводятся эксперименты по поиску легких вимпов. Для этого используются электронные возбуждения полупроводников, сцинтилляции прозрачных кристаллов или тепловой отклик мишени, возникающие при взаимодействии частиц мишени и вимпов.

               Авторы статьи предлагают схему эксперимента, аналогичного некоторым способам поиска нейтрино. Суть его заключается в том, что при взаимодействии вимпа или нейтрино с атомами жидкого гелия, находящегося в сверхтекучем состоянии, образуются квазичастицы — фононы и ротоны. Если температура гелия достаточно мала (меньше 0,1 Кельвина), помехами — образованием квазичастиц из-за тепловых флуктуаций можно пренебречь. Эти квазичастицы распространяются в жидкости, если их энергия меньше 0,7 миллиэлектронвольт. Наконец, когда квазичастица достигает поверхности жидкости, в результате квантового испарения (quantum evaporation) из нее вырывается атом гелия.

               Затем вырванный из жидкости атом гелия ускоряется с помощью сильного электрического поля (несколько вольт на ангстрем), создаваемого острым наконечником туннельного микроскопа, а момент его попадания на наконечник регистрируется как кратковременное увеличение тока в сети, соединяющей катод и анод. По оценкам ученых, для эффективного детектирования отдельных атомов расстояние между наконечниками в одном массиве должно составлять до двадцати микрометров, а расстояние между самими массивами — до одного миллиметра.

               По словам физиков, с помощью такой установки можно зарегистрировать отдельные вимпы с массой около 0,6 мегаэлектронвольт. Несмотря на то, что они не смогли оценить чувствительность, разрешающую способность по времени и энергии, а также другие важные характеристики предложенной ими схемы, авторы считают, что их идеи могут оказаться очень полезными для регистрации легких вимпов. Также ученые отмечают, что подобные детекторы для частиц темной материи можно построить на основе других сред, в которых длина пробега квазичастиц достаточно велика, чтобы мы могли регистрировать их рождение в больших объемах вещества. Все-таки частицы темной и «обычной» материи взаимодействуют очень редко.

               Аксионы оказались хорошим кандидатом на роль темной материи — они практически не взаимодействуют с частицами Стандартной модели и имеют массу, хотя и очень маленькую. Правда, наряду с аксионами могут существовать и другие легкие частицы с похожими свойствами, которые не имеют отношения к сохранению CP-инвариантности, но естественным образом возникают в теории струн. В основном поиски полагаются на тот факт, что включение аксионов в Стандартную модель модифицирует уравнения Максвелла и добавляет к ним новое взаимодействие, пропорциональное произведению напряженностей электрического и магнитного поля. Это позволяет экспериментаторам построить «радио для темной материи», в котором вероятность распада аксиона увеличивается за счет настройки резонансной частоты магнитной полости, или использовать другие магнитные эффекты.

               В новой статье физики-теоретики Стефон Александр (Stephon Alexander) и Роберт Симс (Robert Sims) предложили принципиально новый способ детектирования аксионов, основанный на их непосредственном взаимодействии с электронами. Для простоты ученые рассмотрели простейшую модель связи между электромагнитным и аксионным полем, включающую в себя один дополнительный бозон Хиггса (extra Higgs singlet).

               К преимуществам предложенного метода можно отнести тот факт, что прецессия электронов регулируется в нем величиной электрического поля, а не магнитного — а следовательно, колебания внешних магнитных полей, которые обычно мешают измерить тонкие эффекты, будут меньше сказываться на результатах. Авторы предполагают, что эти поля даже не придется подавлять, чтобы увидеть прецессию. Тем не менее, ученые отмечают, что тепловые флуктуации также будут поворачивать спины электронов в случайных направлениях и мешать измерить прецессию, а потому предполагаемую экспериментальную установку надо будет охлаждать до очень низкой температуры.

               На протяжении последних двадцати лет внимание физиков было сосредоточено на тяжелых частицах темной материи (вимпах, WIMP), имеющих массу более десяти гигаэлектронвольт. Тем не менее, все эксперименты по поиску вимпов закончились отрицательно — например, последние данные эксперимента XENON1T практически полностью исключили частицы с массами от 6 до 200 гигаэлектронвольт. Поэтому в настоящее время физики постепенно переключаются на поиски других видов темной материи. Например, в ноябре прошлого года ученые из Университета Брауна предложили схему детектора, основанного на квантовом испарении жидкого гелия и способного увидеть частицы темной материи с массой менее одного мегаэлектронвольта.

               Наземные детекторы такие тонкие детали увидеть не могут. Как правило, когда физики говорят о темной материи, они подразумевают вимпы (WIMP) — слабо взаимодействующие массивные частицы. Поскольку такие частицы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, увидеть их с помощью обычных телескопов нельзя. Вимпы возникают в большом числе теоретических моделей, которые предсказывают, что масса гипотетических частиц составляет не меньше десяти масс протона. К сожалению, увидеть вимпы на практике не смогли. Поэтому физики переключаются на альтернативные теории темной материи.

               В частности, некоторые из этих моделей утверждают, что темная материя состоит не из тяжелых, а из невероятно легких бозонов, масса которых не превышает 10^-19 масс протона. Как и вимпы, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, однако проявляют себя через гравитационные эффекты — гравитационное линзирование и кривые вращение галактик. Самый известный пример легкого бозона — это аксион, предложенный в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Изначально аксион вводился в Стандартную модель, чтобы «очистить» ее от проблемы сохранения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях, однако на роль частицы темной материи он тоже хорошо подходит. Кроме того, аксионоподобные легкие частицы возникают в теории струн и других альтернативных теориях. Но, к сожалению, зарегистрировать аксионы с помощью наземных детекторов очень сложно.

               Физики-теоретики Даниэль Бауманн (Daniel Baumann), Хорн Шэн Чиа (Horng Sheng Chia) и Рафаэль Порто (Rafael Porto) предложили альтернативный способ детектирования легких аксионоподобных частиц. Для этого ученые заметили, что за счет сверхизлучения вокруг вращающихся черных дыр формируются облака сверхлегких скалярных частиц. Теоретически, такие облака могут исказить спектр гравитационных волн, которые испускают двойные системы сливающихся черных дыр. Сейчас ученые могут измерить этот спектр с помощью гравитационных волн можно косвенно подтвердить существование аксионов.

               Авторы статьи подчеркивают, что их метод чувствует даже такие частицы, которые связаны с частицами Стандартной модели только гравитационным взаимодействием. Ни один другой эксперимент такие частицы почувствовать не может, хотя они являются идеальным кандидатом на роль темной материи.

               Несмотря на то, Physical Review D опубликовал статью только на прошлой неделе, ученые выложили ее препринт еще в апреле прошлого года. Благодаря этому к моменту выхода ее уже успели процитировать 15 раз. Более того, некоторые цитирующие статьи были напечатаны в рецензируемых журналах намного раньше работы Баумана, Чиа и Порто.

               Согласно наиболее распространенному в современной науке взгляду, темная материя — это специфический вид вещества, которое не взаимодействует электромагнитным образом и поэтому не может быть зафиксировано при помощи наблюдений на обычных телескопах. Существуют альтернативные подходы, которые пробуют объяснить те же самые эффекты посредством модификации известных физических законов или введением новых, но они не справляются с объяснением всех связываемых с темной материей проблем.

               Основным затруднением модели темной материи в виде вещества является неизвестная масса составляющих ее частиц. Диапазон рассматриваемых возможностей колоссален: от сверхлегких частиц с массой порядка 10^-22 электронвольт до первичных черных дыр с массами в несколько солнечных и более — разброс свыше 60 порядков. Однако наибольшее число работ посвящено разработке модели вимпов — слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle). Эти объекты должны обладать массой порядка массы известных элементарных частиц или в сравнимое количество раз больше, то есть находиться в диапазоне от мегаэлектронвольта до тераэлектронвольта.

               Попытками получить подходящие объекты занимаются как на коллайдерах, так и при помощи специальных установок. Однако пока эти поиски не увенчались успехом. В частности, в прошлом году физики отчитались о поисках при помощи детектора XENON1T — искомых событий зафиксировано не было. Отдельные эксперименты, такие как DAMA, улавливают определенный сигнал, но научное сообщество постоянно подвергает сомнению его интерпретацию в качестве свидетельства регистрации частиц темной материи.

               Работа сотрудников Еврейского университета в Иерусалиме и Массачусетского технологического института посвящена новому методу обнаружения относительно легких вимпов с массой менее гигаэлектронвольта. Фундаментальный принцип его работы схож с большинством детекторов — заметить прямые соударения частиц темной материи с известными компонентами вещества. Однако, если в большинстве случаев физики пытаются зафиксировать свет, который испускают ядра после получения энергии от вимпа, то в рамках нового подхода предлагается искать повышение температуры.

               Новая идея хороша по нескольким причинам. Во-первых, в ней предлагается объединить рабочее вещество, с которым должны взаимодействовать вимпы, и детектор, который измеряет этот эффект. Во-вторых, такой прибор обладает исключительно низким уровнем шумов, так как работает в квантовом режиме при низких температурах. В-третьих, все компоненты для работы такого устройства можно изготовить уже сегодня, так как технологии однофотонных детекторов на основе сверхпроводящих нанопроводов уже разработаны.

               В обычных условиях вода замерзает при нуле градусов по Цельсию, однако ее можно охладить до гораздо более низкой температуры. Дело в том, что сама по себе жидкость замерзнуть не может — чтобы запустить этот процесс, в ней должны быть неоднородности, с которых начнут расти ледяные кристаллы. Следовательно, если тщательно очистить воду от примесей, медленно понижать температуру и беречь ее от внешних воздействий, она будет оставаться жидкой при температурах вплоть до −48 градусов Цельсия. При еще более низких температурах равновесие в жидкости не успевает устанавливаться из-за неустранимых тепловых колебаний. Если же потрясти переохлажденную воду или бросить в нее крупинку соли, она резко начнет кристаллизоваться по всему своему объему. Более того, в результате замерзания переохлажденной воды высвобождается энергия плавления льда — следовательно, чтобы запустить переход, практически не требуется затрачивать энергию. Поэтому такую систему называют метастабильной.

               Благодаря низкому энергетическому порогу метастабильные системы можно использовать в качестве детекторов частиц. Собственно, первый в истории человечества детектор, камера Вильсона, работал именно по этому принципу — только вместо переохлажденной воды в нем использовался перенасыщенный пар.

               Группа физиков под руководством Мэтью Шидагиса (Matthew Szydagis) предложила идею нового детектора, основанного на кристаллизации переохлажденной жидкости. Они рассмотрели эту идею по нескольким причинам. Во-первых, молекулы воды содержат легкие молекулы водорода, которые идеально подходят для поиска частиц темной материи массой порядка одного гигаэлектронвольта. Во-вторых, в настоящее время существуют методики, с помощью которых можно быстро и дешево очистить сравнительно большие объемы воды. В-третьих, в отличие от пузырьковой камеры, кристаллизация воды не приводит к резкому изменению давления, поэтому оставшийся объем жидкости продолжает следить за столкновениями частиц. По аналогии с «туманной» и пузырьковой камерой физики предлагают назвать гипотетический детектор «снежковой камерой» (snowball camera).

               Ученые считают, что детектор, построенный на основе этой технологии будет сравним с существующими детекторами на основе пузырьковой камеры. Детектор массой сто килограмм, работающий на протяжении трех месяцев, будет на два порядка превосходить рекордную чувствительность детектора DarkSide.

               Раньше основным кандидатом на роль темной материи выступали вимпы (WIMP) — сверхтяжелые частицы с массой не меньше десяти масс протона, которые взаимодействуют с частицами обычной материи через обмен векторными бозонами (фотоны в таких реакциях не рождаются, поэтому материя выглядит «темной»). Однако из-за отсутствия экспериментальных подтверждений эта гипотеза постепенно стала терять популярность. Более того, теория с вимпами приводит к расхождениям между расчетами и наблюдаемой картиной распределения темной материи (проблема острого гало). Некоторые физики попытались объяснить неудачи экспериментов по поиску вимпов новыми короткодействующими силами или отказались от темной материи, заменив ее частицами с отрицательной массой.

               Менее радикальные теории предполагают, что темная материя состоит из сверхлегких аксионоподобных частиц. Кроме того, похожие сверхлегкие частицы естественным образом возникают в теории струн.

               Основные свойства, на которые полагаются такие эксперименты — это взаимодействие аксионов с фотонами и осцилляция аксионного поля с частотой, пропорциональной его массе. Эти свойства приводят к двум интересным эффектам. Во-первых, аксионы, помещенные в сильное магнитное поле, превращаются в фотоны. Во-вторых, на фоне осциллирующего аксионного фона плоскость поляризации фотонов поворачивается и лучи света расщепляются. Первый эффект используется в галоскопе — «радио» для темной материи, в котором физики пытаются подобрать резонансную частоту магнитного поля и усилить рождение фотонов. В настоящее время такие установки уже работают. Схема эксперимента, основанного на втором эффекте, была разработана группой японских ученых под руководством Юта Митимура (Yuta Michimura), однако воплотить ее в жизнь пока не удалось.

               Теперь же японские исследователи во главе с Кендзи Тома (Kenji Toma) предложили косвенный метод детектирования аксионов, основанный на измерении поляризации протопланетных дисков. Протопланетные диски выбрали по ряду причин. Во-первых, большая часть излучения диска возникает из-за рассеяния света центральной звезды на его частицах (поэтому диск кажется ярким). Во-вторых, свет протопланетного диска линейно поляризован перпендикулярно его плоскости. И если окружающая диск темная материя состоит из аксионов, она будет изменять его поляризацию предсказуемым способом. Наконец, характерный размер протопланетного диска составляет порядка ста астрономических единиц. С одной стороны, это позволяет разрешить диски на расстоянии до ста парсек с помощью наземных телескопов. С другой стороны, даже такой огромный диаметр меньше длины волны де Бройля аксиона — следовательно, поляризация всего диска будет поворачиваться одинаково.

               Когда сквозь Землю проходит гравитационная волна, все ее объекты практически незаметно растягиваются и сжимаются. Например, если волна была испущена при слиянии двух черных дыр с массой порядка нескольких масс Солнца, то относительное изменение длины объектов составит около 10⁻²¹. Почувствовать такое растяжение с помощью обычных приборов практически невозможно, однако гравитационные детекторы LIGO и Virgo с этой задачей справляются.

               Группа физиков под руководством Масаки Мори (Masaki Mori) предложила использовать невообразимую чувствительность гравитационных детекторов для поиска частиц темной материи. В основе нового метода лежит следующая идея. Поскольку Земля движется относительно центра галактики со скоростью около 200 километров в секунду, а гало темной материи в первом приближении неподвижно, нашу планету постоянно продувает ветер из темных частиц. Если сечение взаимодействия этих частиц с частицами обычной материи конечно, то они могут сталкиваться с атомами зеркала, передавать зеркалу импульс и искажать интерференционную картину гравитационного детектора. Следовательно, из сигнала можно выделить ограничения на частоту таких столкновений, сечение и массу темных частиц.

               Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных в разных интерферометрах (LIGO, Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического телескопа Эйнштейна), ученые оценили форму сигнала, который возникает после столкновения темной частицы и зеркала. Сигнал выглядел как резкий пик, расположенный на соответствующей резонансной частоте.

               Чтобы проверить это предположение, ученые теоретически рассмотрели столкновение темной частицы и цилиндрического зеркала. Вообще говоря, такое столкновение может возбудить два принципиально разных типа колебаний. Во-первых, частица подталкивает зеркало и заставляет его качаться (чтобы снизить воздействие вибраций, зеркала гравитационного интерферометра подвешивают на тонких стеклянных нитях). Во-вторых, она заставляет его дрожать, словно желе. Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных на интерферометрах LIGO и Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического ученые оценили форму сигнала, возникающего после столкновения темной частицы и зеркала. Для обоих типов колебаний сигнал выглядел как довольно резкий пик на соответствующей резонансной частоте.

               Хотя пока ни один детектор темной материи не поймал гипотетические частицы, физики продолжают улучшать существующие экспериментальные установки и разрабатывать новые. Впрочем, фокус этих разработок постепенно смещается в сторону легких частиц темной материи, для которых существующие ограничения пока недостаточно жестки.

               Ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя — ни одну из гипотетических частиц, существование которых предсказывает теория, зарегистрировать на детекторах пока не удалось. Эксперименты в этой области имеют сегодня большую значимость — несмотря на результаты, они позволяют получить ограничения на неизвестные характеристики частиц темной материи, скорректировать теорию и сузить область последующих поисков.

               Британские физики под руководством Константина Бейера (Konstantin A. Beyer) из Оксфордского университета предложили свой подход для поиска аксионов — так называется вид гипотетических частиц, который вводится в одной из наиболее известных теоретических моделей для решения проблемы в квантовой хромодинамике. Исследователи рассмотрели возникновение аксионов при столкновении двух лазерных пучков (которые состоят из фотонов) высокой интенсивности. Рождающиеся таким образом частицы в предлагаемом сценарии проходят через препятствие (стенку) и под действием магнитного поля снова превращаются в фотоны, которые попадают в детектор. Поскольку на пути лучей лазеров находится препятствие, обнаружение фотона по другую сторону стенки в отсутствие шума означает регистрацию аксиона. На практике же схема опыта позволяет проверять надежность таких событий: для этого достаточно испускать излучение короткими импульсами и синхронизировать их с работой детектора.

               Авторы установили, что по качеству предложенный эксперимент может соревноваться с другими опытами по поиску темной материи. В частности, при достаточно долгой выдержке (примерно одни сутки на один угловой шаг) его чувствительность сопоставима с солнечным телескопом лаборатории CERN и достигает характеристик аксионов, которые предсказывает квантовая хромодинамика. Вместе с тем опыт опирается на меньшее количество теоретических допущений — это делает методику более надежной в сравнении с альтернативными подходами.

               Качество эксперимента можно повысить благодаря развивающимся технологиям по созданию лазерных установок: с ростом количества фотонов в пучке одновременно увеличивается вероятность рождения аксионов. Кроме того, для усиления наблюдаемых эффектов можно использовать неоднородное магнитное поле и регулировать показатель преломления среды, в которой происходит превращение гипотетической частицы в регистрируемую. Последние факторы не учитывались в исследовании, поэтому вычисленные оценки чувствительности являются лишь нижними ограничениями — на практике, по мнению ученых, результаты могут оказаться значительно лучше.

               В рамках новой теории ученые предлагают, что частицы темной материи не являются элементарными частицами. Вместо этого их нужно рассматривать как темные атомы, состоящие из темных протонов и темных электронов, которые удерживаются в атоме темным аналогом электромагнетизма.

               Подобный подход позволяет объяснить результаты, полученные итальянским экспериментом DAMA, который проходил с 1996 по 2002 годы. В рамках этого эксперимента ученые установили, что в результате взаимодействия WIMP нарушается закон сохранения энергии. Новая теория позволяет объяснить это нарушение тем, что часть энергии уходит на темные внутриатомные взаимодействия.

               Сами исследователи признают, что их теория далеко не идеальна. Так, например, чтобы избежать противоречий, ученым приходится предполагать, что гало ионизированной и обычной темной материи отличаются по форме.

               Темной материи в нашей Вселенной примерно в пять раз больше, чем барионной, но обычная материя гораздо сложнее своего темного аналога. Конечно, некоторые теории предсказывают и более сложные структуры, состоящие из темной материи — например, первичные черные дыры или аксионные звезды, — однако встречаться такие объекты должны сравнительно редко.

               А вот обычная, барионная материя повсеместно образует объекты с гораздо более сложной структурой — начиная от спиральных галактик и заканчивая звездами и планетами. Это обусловлено тем, что барионы теряют часть своей энергии благодаря электромагнитному взаимодействию и глубоко «проваливаются» в гравитационный потенциал. А даже в моделях темной материи с взаимодействием частицы не способны терять энергию, а могут только перераспределять ее. Если бы это было не так, форма гало, окружающих галактики, сильно бы исказилась, и астрономы бы это увидели.

               Механизм охлаждения барионной материи хорошо работает только в определенном диапазоне масс коллапсирующих объектов. При увеличении массы объекта растет его гравитационная энергия, а следовательно, увеличивается энергия частиц, входящих в его состав. Из-за этого они становятся менее чувствительны к потерям энергии на электромагнитное излучение, и коллапс осложняется. В результате образование сложных структур происходит только для объектов с массой не больше 10¹² масс Солнца, а на бо́льших масштабах скопление галактик представляет собой сферически симметричное облако с вложенными в него галактиками.

               Физики Мэттью Бакли (Matthew Buckley) и Энтони ДиФранцо (Anthony DiFranzo) использовали эту лазейку, чтобы заставить темную материю терять энергию и формировать сложные структуры, но оставаться однородной на больших масштабах. Для этого они предложили простую модель, в которой частицы темной материи оказываются заряжены гипотетическим темным электромагнитным взаимодействием.

               Ученые рассчитали, какую максимальную массу могут иметь сложные объекты из темной материи. По оценкам физиков в окружающем Млечный Путь гало могут содержаться образования из темной материи с массой, сравнимой со сверхмассивными звездами или карликовыми галактиками. Но не более двух процентов от суммарной массы гало.

               Они не первыми предложили использовать темный электромагнетизм в качестве механизма охлаждения, который приводит к формированию сложных объектов из темной материи. Но они первыми показали, что такой механизм эффективен только при определенных значениях массы коллапсирующей темной материи.

               Частицы Стандартной модели приобретают массу благодаря механизму Хиггса — спонтанному нарушению электрослабой симметрии, которое происходит из-за особенной формы потенциала Хиггса. Грубо говоря, в квантовой теории поля частицы представляют собой колебания полей (например, фотоны — это колебания электромагнитного поля), энергию которых нужно отсчитывать от определенного минимума. Такое минимальное энергетическое состояние называют вакуумом. Для большинства полей Стандартной модели вакуум отвечает нулевому полю, то есть отсутствию частиц (потенциал вида «ямка»). Но минимум потенциала Хиггса лежит не в нуле, а в области энергий порядка ста гигаэлектронвольт — в результате все пространство оказывается пронизано полем Хиггса, которое имеет почти постоянную напряженность и затрудняет ускорение обычных частиц, придавая им массу. Бозон Хиггса, который отвечает колебаниям поля Хиггса около минимального состояния, тоже оказывается массивным, поскольку поле взаимодействует само с собой.

Однако, несмотря на то, что потенциал Хиггса имеет минимум при энергиях около ста гигаэлектронвольт, этот минимум не глобальный. При больших энергиях потенциал снова загибается вниз, и в нем образуется еще одна ямка, глубина которой больше, чем глубина ямки, в которой мы живем. Из-за этого наш вакуум «ложный» — рано или поздно поле Хиггса свалится в по-настоящему минимальное состояние, и его колебания нужно будет отсчитывать от истинного вакуума. Поскольку поле не может изменить свое состояние одновременно во всем пространстве, физически такой переход будет выглядеть как образование и последующее расширение пузырей истинного вакуума в ложном. Этот процесс называют распадом ложного вакуума. Очевидно, что в ходе распада ложного вакуума выделится огромная энергия, которая возьмется из разницы высот между ямками и привычная Вселенная перестанет существовать. Но из-за большой высоты барьера, разделяющего ямки, вероятность этого процесса очень мала, и характерное время жизни ложного вакуума превышает текущий возраст Вселенной. Говорят, что ложный вакуум метастабилен.

               Однако во время инфляции — периода, когда размеры Вселенной увеличились в огромное число раз за считанные доли секунды, это могло быть не так. Если эффективная масса поля Хиггса (грубо говоря, масса бозона Хиггса) окажется сравнима со скоростью ее расширения, которая задается параметром Хаббла, то квантовые флуктуации будут выдергивать поле из метастабильного состояния. В результате будут возникать пузыри истинного вакуума, которые станут расширяться со скоростью света и вскоре заполнят весь объем Вселенной. Но мы до сих пор продолжаем жить в ложном вакууме, даже спустя 13 миллиардов лет после инфляции.

               В новой статье физики-теоретики Хосе Эспиноса (José Espinosa), Давиде Ракко (Davide Racco), и Антонио Риотто (Antonio Riotto) показали, что поле Хиггса может «откатиться» обратно в метастабильное состояние в результате последовавшего после инфляции разогревания Вселенной (reheating). При этом временное образование пузырей истинного вакуума не будет сказываться на спектре реликтового излучения, поскольку они будут иметь заметный размер только на поздних этапах инфляции — это объясняет, почему астрономы не заметили этот процесс. Более того, предложенный учеными механизм позволяет объяснить возникновение темной материи.

               Для начала ученые показали, что быстрое расширение действительно может «выдернуть» поле Хиггса из ложного вакуума и пространство заполняется пузырьками истинного вакуума. Одновременно в нем возникают колебания поля относительно нового вакуума, которые разрастаются со временем. Правда, значительного размера эти структуры достигают только к концу инфляции, когда они уже успели покинуть радиус Хаббла, а значит, увидеть их мы не сможем.

               Когда инфляция заканчивается, вакуумная энергия инфлатонного поля переходит в тепловые релятивистские степени свободы — Вселенная заполняется частицами Стандартной модели, а ее температура существенно увеличивается. Из-за этого потенциал Хиггса получает температурные поправки, которыми нельзя пренебречь. Более того, если температура оказывается больше эффективной массы поля, оно «откатывается» обратно в метастабильное состояние. Поскольку теперь Вселенная расширяется гораздо медленнее, полю приходится преодолевать барьер «по-честному», и вероятность его перехода в истинный вакуум уменьшается на много порядков.

               Наконец, после окончания инфляции, когда радиус Хаббла достаточно сильно увеличится, возникшие в ее ходе флуктуация поля приведут к образованию первичных черных дыр. По оценкам ученых, масса таких дыр будет составлять всего 10⁻¹⁵ масс Солнца, но их будет так много, что суммарный вклад в массу Вселенной будет сравним с текущим вкладом темной материи. В дальнейшем черные дыры будут сливаться друг с другом, и их масса будет увеличиваться, приближаясь к текущим экспериментальным оценкам.

               Таким образом, поле Хиггса может быть ответственно не только за массу всех элементарных частиц, но и за образование темной материи на ранних этапах жизни Вселенной. Но если бы не было темной материи, крупномасштабная структура Вселенной была бы совершенно другой — галактики попросту не смогли бы образоваться, поскольку притяжения обычной материи для этого недостаточно. Получается, что поле Хиггса отвечает за существование Вселенной в привычном для нас виде — и за дальнейшее ее уничтожение в ходе распада ложного вакуума. Примечательно, что такое объяснение не выходит за пределы Стандартной модели.

               Это утверждение имеет и более философский смысл. С одной стороны, форма потенциала Хиггса такова, что рано или поздно ложный вакуум перейдет в истинный, и привычный для нас мир будет уничтожен. С другой стороны, если бы форма этого потенциала была другой, темная материя не могла бы возникнуть, и привычного мира попросту не было бы. Правда, стоит заметить, что работа ученых не обязательно имеет отношение к реальному миру. Более того, для корректной работы предложенного механизма параметры теории должны иметь вполне конкретные значения, то есть теория требует «тонкой настройки». Все детали можно списать на антропный принцип, но это не красивое решение.

               В ноябре 2017 года японские физики-теоретики показали, что излучение Хокинга, исходящее от черных дыр, может существенно уменьшить вероятность распада ложного вакуума. С одной стороны, чем меньше черная дыра, тем сильнее она искривляет пространство и тем легче вокруг нее образуется пузырек истинного вакуума; с другой стороны, излучение Хокинга вокруг маленьких дыр имеет гораздо более высокую температуру, которую необходимо учитывать при образовании пузырька.

               Материя с отрицательной массой — это материя, которая ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Частица с отрицательной массой отталкивает частицы с положительной и отрицательной массой, тогда как «положительные» частицы притягивают «отрицательные». К сожалению, в рамках модели ΛCDM этот способ описания темной энергии заведомо обречен на провал. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной плотность различных компонент меняется по разным законам: плотность холодной материи падает, а плотность темной энергии остается постоянной. Поэтому отождествить материю с отрицательной массой и темную энергию нельзя.

               Тем не менее, астрофизик Джейми Фарнс (Jamie Farnes) утверждает, что ему удалось увязать идею Эйнштейна с данными наблюдений. Для этого он объединил идею отрицательной массы с другой контринтуитивной идеей о непрерывном и однородном производстве массы в объеме Вселенной. Эта мысль тоже далеко не нова, впервые ее предложили еще в 40-х годах прошлого века. Теоретически, такие процессы действительно могут идти на фоне сильного гравитационного поля (например, за счет эффекта Хокинга).

               Затем астрофизик рассчитал, как отрицательная масса будет проявляться на более мелких масштабах. Для этого он смоделировал в рамках своей модели взаимодействие большого числа частиц положительной и отрицательной массы. Фарнс обнаружил несколько эффектов, которые традиционно приписывают темной материи. Во-первых, он смоделировал эволюцию плотной группы частиц с положительной массой, погруженных в «море» из частиц отрицательной массы. Такая система должна качественно описывать эволюцию галактик на поздних стадиях расширения Вселенной. В результате он получил распределение плотности, которое хорошо совпадает с данными наблюдений — плотность частиц медленно растет при приближении к центру галактики и совпадает с профилем Буркерта. Это решает проблему «острого гало» (cuspy halo problem), которая возникает в модели ΛCDM.

               Во-вторых, при тех же начальных данных ученый рассчитал кривую вращения галактики и обнаружил, что он тоже хорошо совпадает с данными наблюдений. В то время как в модели с чисто «положительными» частицами материя на краю галактики движется медленнее, чем в центре, в модели с преобладанием «отрицательных» частиц скорость получается примерно постоянной.

               В-третьих, Фарнс показал, что в его модели естественным путем возникает нитевидная крупномасштабная структура Вселенной: галактики объединяются в скопления, скопления — в сверхскопления, а сверхскопления — в цепочки и стены.

В-четвертых, астрофизик предположил, что частицы положительной и отрицательной массы будут объединяться в диполи и ускоряться до скорости света (поскольку получившаяся частица не имеет массы). Ранее такая возможность уже рассматривалась, причем физики считали, что она является серьезным аргументом против теорий с отрицательной массой, поскольку ОТО запрещает массивным частицам, из которых состоит диполь, разгоняться до скорости света. Тем не менее, Фарнс подчеркивает, что такой процесс не нарушает никаких фундаментальных законов, но должен приводить к образованию космических частиц с очень высокими энергиями, которые отчасти регистрируются на практике.

               Наконец, ученый проверил, как сильно предложенная модификация модели ΛCDM исказит реально наблюдаемые эффекты — расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам, реликтовый фон и наблюдения за слияниями скоплений галактик. Гипотеза не противоречит наблюдаемым данным. Впрочем, довольно много вопросов все еще остаются открытыми — в частности, не понятно, как увязать такую гипотезу со Стандартной моделью (может ли механизм Хиггса генерировать отрицательные массы?), как регистрировать частицы с отрицательной массой и как объяснить противоречия между отталкиванием «отрицательных» частиц и теорией гравитонов.

               Модель с постоянным производством отрицательной массы объясняет не только наблюдаемое расширение Вселенной, но и образование ее крупномасштабной структуры, гало темной материи вокруг галактик и кривые вращения — большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию и темную материю. Как ни странно, такая интуитивно неестественная гипотеза вполне согласуется с данными наблюдений. Более того, она предлагает объяснить их более простым способом, привлекая меньше сущностей.

               Нейтрино — это очень легкие элементарные частицы, не обладающие электрическим зарядом и крайне слабо взаимодействующие с веществом. Изначально их существование было теоретически предложено для объяснения непрерывного спектра образующихся при β-распаде электронов. Новая частица должна была уносить часть энергии, при этом обеспечивая неизменность суммы энергий получающихся в результате распада элементов.

               Сегодня известно о трех типах нейтрино, соответствующих поколениям лептонов в физике элементарных частиц: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Эти частицы позволили найти первые заметные отклонения от Стандартной модели — в ней нейтрино предполагались безмассовыми, однако затем были обнаружены их осцилляции, то есть превращения из одного типа в другой, которые возможны только для массивных частиц.

               Ученые выдвинули идеи о существовании новых типов нейтрино, не участвующих ни в каких фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитации. Эти частицы получили название стерильных нейтрино, потому что обычные нейтрино участвуют в слабом взаимодействии. Теоретически стерильными нейтрино могут быть, например, правосторонние нейтрино (обладающие противоположной хиральностью). Тем не менее, неоспоримых экспериментальных данных об их существовании получить пока не удалось.

               Идея эксперимента BEST состоит в поиске результатов взаимодействия частиц с веществом. Для BEST было изготовлено новое экспериментальное оборудование, в том числе сам двухзонный бак для облучения 50 тонн галлия, а также дополнительные модули систем извлечения и счета Галлий-германиевого нейтринного телескопа БНО.

               Эксперимент BEST пройдет на базе подземного Галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии. Первые результаты эксперимента будут готовы к середине октября этого года, весь эксперимент рассчитан на 7-10 лет работы.

               В одном из простейших вариантов темная материя представляет собой бесстолкновительное и холодное вещество (скорости частиц намного ниже скорости света). Такая модель прекрасно объясняет несоответствия на крупных масштабах — например, эволюцию скоплений галактик. Однако на масштабе порядка галактики у нее есть проблемы. В частности, она предсказывает намного больше карликовых галактик-спутников, чем наблюдается в локальной Вселенной. Также ядра галактик с доминирующим вкладом темной материи в реальности менее плотные и меньше отличаются от остальных частей систем, чем следует из численного моделирования.

               Одной из наиболее труднообъяснимых особенностей является MDAR (Mass Discrepancy-Acceleration Relation — соотношение между расхождением масс и ускорением). Оно связывает отношение общей массы галактики к массе обычной материи в ней с ускорением звезд и газа на различных расстояниях от центра системы. Это отношение удивительно хорошо выполняется для множества галактик разных типов, в том числе с доминирующим вкладом темной материи. Выполнение MDAR можно интерпретировать как главенствующую роль обычной материи в определении ускорений в любых галактиках, даже с подавляющей частью массы в виде темной материи.

               Для примирения идеи холодной темной материи с MDAR было предложено несколько более сложных моделей, которые по-разному проявляют себя в зависимости от масштаба. В рамках одной из таких теорий темная материя представлена относительно легкими частицами (масса более электронвольта), которые формируют квантовый конденсат сравнимого с галактикой размера.

               В таком случае внутри такого сверхтекучего ядра основным определяющим динамику явлением оказываются звуковые волны, которые сильно связаны с обычным веществом. В результате возникает дополнительное дальнедействующее взаимодействие, которое и порождает MDAR. В этом смысле сверхтекучая темная материя похожа на совершенно другую попытку решения проблемы темной материи — модифицированную ньютоновскую динамику (МОНД). Фактически, эффект дополнительной силы от сверхтекучей невидимой материи имитирует отклонение от классических законов механики в варианте МОНД.

               Астрофизики под руководством Марианджелы Лизенти (Mariangela Lisanti) из Принстонского университета проверили совместимость гипотезы сверхтекучей темной материи с хорошо известной динамикой объектов Млечного Пути. Оказалось, что модель сверхтекучего компонента плохо совместима с наблюдениями, так как такое вещество порождает дополнительную силу во всех направлениях, а в динамике Млечного Пути противоречия присутствуют лишь в плоскости вращения, а в перпендикулярном направлении его параметры хорошо описываются известным распределением обычной материи.

               Выяснилось, что обе модели (сверхтекучая темная материя и стандартная холодная) в целом воспроизводят кривую вращения Млечного Пути до расстояния порядка 18 килопарсек от центра. Однако сверхтекучая модель систематически переоценивает скорости ближе к краю, так как там начинает заметно сказываться как вклад сверхтекучего ядра, так и «классического» гало. Однако дисперсия скоростей звезд в вертикальном направлении на расстоянии Солнца от центра Галактики (около 8 килопарсек) в первой модели оказывается значительно преувеличена.

               В результате холодная темная материя предпочтительна с очень убедительной значимостью (логарифм коэффициента Байеса около 32). Авторы отмечают, что полученный вывод должен быть справедлив для любой модели темной материи, которая пытается объяснить MDAR переходом к подобному МОНД новому взаимодействию на малых масштабах. В связи с этим они считают полученные результаты по динамике Млечного Пути подходящим тестом любой модели темной материи.

               Хотя эти экзотические частицы состоят из большего числа кварков, чем протоны, на самом деле гексакварки намного меньше по размерам, чем хорошо знакомые нам частицы. Гексакварки относятся к бозонам, и это означает, что множества гексакварков d* могут формировать структуры, отличающиеся от тех структур, которые образуют протоны и нейтроны.

               Согласно Михаилу Башканову с кафедры физики Йоркского университета, Великобритания, гексакварки могли конденсироваться, формируя темную материю, в необычных условиях сразу после Большого взрыва.

               В своем исследовании Башканов и его коллега Дэниэл Уоттс (Daniel Watts) показывают, что в ранний период развития Вселенной гексакварки d* могли при остывании формировать то, что называют конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC).

               BEC представляет собой экзотическое, пятое состояние материи, которое наблюдается, когда облако субатомных частиц остывает до температур, приближающихся к абсолютному нулю Кельвинов (минус 273,15 градусов Цельсия). При этих экстремальных температурах частицы объединяются в единую структуру, которая может быть описана при помощи волновой функции. Другими словами, частицы объединяются и ведут себя так, словно они представляют собой единый атом.

               Несмотря на то что гексакварки в лаборатории склонны к быстрому спонтанному распаду, Башканов считает, что они являются намного более стабильными и долгоживущими в недрах нейтронных звезд и, возможно, также в составе BEC. Авторы считают, что BEC представляет собой то, что мы сегодня называем темной материей.

Большая часть массы космоса составляет темная материя. Невидимая ни в один телескоп, она проявляется лишь гравитационным влиянием на звезды, газовые облака и другие объекты, состоящие из обычных элементарных частиц. Темная материя удерживает вместе галактики, но из каких частиц сложена она сама, до сих пор не известно. Различные теоретические модели дают разные предсказания, и подтвердить какое-либо из них пока не удается. Одним из таких кандидатов выступает особый четвертый тип нейтрино — стерильное.

               Тогда его неуловимость вполне понятна: вспомним, что нейтрино практически не взаимодействует с обычной материей и свободно пролетает сквозь наши тела, сквозь Землю и Солнце. Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр их пролетают десятки миллионов, однако даже специальным нейтринным обсерваториям, заполненным десятками тысяч тонн сверхчистой воды, удается зарегистрировать лишь несколько частиц за год.

               О возможной связи между стерильным нейтрино и темной материей особенно активно заговорили в последние годы, когда наблюдения космических рентгеновских телескопов XMM-Newton и Chandra обнаружили, что соседние скопления галактик испускают фотоны с энергиями 3,5 КэВ. Теоретически их могут создавать стерильные нейтрино массой 7,1 КэВ: превращаясь в нейтрино других сортов в процессе осцилляций, они должны испускать рентгеновский фотон.

               Новой проверке эта гипотеза подверглась в работе Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) и его коллег из Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Беркли. В новой статье, опубликованной в журнале Science, они снова обратились к данным зонда XMM-Newton. Однако на этот раз, вместо того чтобы анализировать излучение далеких звезд и галактик, астрономы сконцентрировались на излучении пустых участков между ними.

               Идея состояла в том, что если стерильные нейтрино — и есть темная материя, то они заполняют нашу Галактику даже там, где нет никаких звезд. Поэтому фотоны на 3,5 Кэ*В, образованные распадом частиц «темного гало», должны регистрироваться и в пустотах. Однако изучение более чем 4000 снимков, полученных XMM-Newton начиная с 1999 года, ничего не дало. Возможно, эти частицы в далеких галактиках создаются не стерильными нейтрино, а вполне обычными частицами, в ходе пока не установленных процессов.

               Сторонники «гипотезы стерильного нейтрино» не согласны с такими выводами — да и с результатами команды Сафди. Так, Алексей Боярский из Лейденского университета сообщил, что аналогичную работу с «пустотами» провела его группа, действительно зарегистрировав ожидаемый поток фотонов с энергиями 3,5 Кэ*В. Разные подходы к обработке данных дали совершенно разные результаты — и дискуссия вокруг стерильных нейтрино еще, видимо, далека от завершения.

_{astronews.ru, 6 ноября 2021}

               В большинстве моделей масса вимпов лежит в диапазоне от нескольких гигаэлектронвольт до массы Планка (приблизительно 1019 гигаэлектронвольт). Существуют, однако, модели темной материи, в которой масса ее частиц очень мала.

               Одной из таких моделей является дилатонная темная материя, частицы которой могут быть возмущениями полей дилатона или модулей, чье существование предсказывает Теория струн. Модели дилатонной темной материи утверждают, что ее частицы рождаются в ранней Вселенной, а в настоящее время представляют собой почти когерентно осциллирующее поле, частота осцилляций которого связана с массой частиц темной материи. Когерентность нарушается локальными возмущениями гравитационного потенциала, которые создают галактики и их скопления, но для темной материи, составляющей обычное галактическое гало, отношение разброса частот к самой частоте колебаний мало и равно приблизительно 10^-6.

               Масса частиц дилатонной темной материи существенно меньше одного электронвольта (напомним, что масса электрона чуть больше 0,5 мегаэлектронвольта, а масса протона почти равна одному гигаэлектронвольту), а ее взаимодействие с полями Стандартной модели имеет очень специфический вид — в простейшем случае в уравнениях движения поле темной материи с определенными коэффициентами добавляется к массе электрона и обратному квадрату его заряда, превращая их из констант в переменные в пространстве-времени величины. От значения массы и заряда электрона зависят свойства атомов, а следовательно, и состоящих из них веществ. Изменение этих параметров ведет в частности к изменению показателя преломления и размера твердых тел, которые предположительно можно наблюдать экспериментально.

               Группа физиков из Великобритании и Германии под руководством Хартмута Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа предложила новый метод поиска частиц легкой темной материи с использованием детекторов гравитационных волн.

    Считается, что к объектам MACHO могут относиться чёрные дыры, и существует предположение о возможном наличии гало из чёрных дыр вокруг Млечного Пути.

               Чёрные дыры иногда обнаруживаются по гало яркого газа и пыли, образующемуся по мере разрушения притяжением чёрной дыры аккреционного диска. Подобный диск может создавать джеты газа, выбрасываемого из окрестностей чёрной дыры. Изолированная же чёрная дыра не будет обладать аккреционным диском и может быть обнаружена лишь по гравитационному линзированию.

               Космологи подвергают сомнению утверждение о том, что MACHO составляют значительную часть тёмной материи, поскольку чёрные дыры располагаются в отдельных точках галактики. Но наибольшая часть объектов, составляющих тёмную материю, должна быть равномерно распределённой по галактике для уравновешивания гравитации. Некоторые физики, например, Джордж Чаплин[англ.] (англ. George Chapline) и Роберт Лафлин (англ. Robert B. Laughlin) считают, что принятая модель чёрных дыр некорректна и должна быть заменена новой моделью: так называемой гипотезой о звёздах тёмной энергии. В общем случае для новой модели распределение тёмной энергии будет клочковатым, а звёзды тёмной энергии основного типа могут являться возможными кандидатами MACHO.

                   Нейтронные звёзды, в отличие от чёрных дыр, недостаточно тяжелы для полного коллапса, вместо этого они формируют вещество, более похожее по свойствам на атомные ядра (иногда неформально называемое нейтронием). После некоторого времени такие звёзды могут излучать достаточное количество энергии, чтобы охладиться и перестать быть наблюдаемыми. Аналогично старые белые карлики также могут остыть и превратиться в чёрные карлики, хотя Вселенная имеет для этого слишком малый возраст.

                   Другими кандидатами на роль MACHO являются коричневые карлики. Иногда их называют неудавшимися звёздами, поскольку они не обладают достаточной массой для того, чтобы начать термоядерные реакции. Следовательно, единственным источником энергии для них является гравитационное сжатие; такие звёзды могут быть видимыми в некоторых условиях. Массы коричневых карликов составляют от 13 до 75 масс Юпитера.

MACHO можно обнаружить при прохождении перед звездой, поскольку притяжение объекта искривит путь распространения света, вследствие чего звезда будет казаться более яркой из-за эффекта гравитационного микролинзирования. Несколько групп исследователей пытались обнаружить объекты MACHO путём поиска усиления света при микролинзировании. По результатам исследования был сделан вывод о том, что наличие тёмной материи нельзя объяснить присутствием MACHO в интервале масс от 1⋅10⁻⁸ до 100 масс Солнца. Группа "the MACHO collaboration" утверждала, что были обнаружены достаточно надёжные проявления микролинзирования, чтобы предсказать наличие большого количества MACHO с массами около 0,5 массы Солнца, способного объяснить присутствие около 20 % тёмной материи в нашей Галактике. Данный вывод подразумевает, что объекты MACHO могут быть белыми карликами или красными карликами с похожими массами. Однако белые и красные карлики не являются совершенно тёмными; они испускают некоторое излучение, поэтому их можно обнаружить в рамках обзоров неба. Проводимые обзоры позволили отвергнуть предположение о том, что подобные объекты составляют значимую часть тёмной материи в нашей галактике. Другая группа исследователей, "the EROS2 collaboration", не подтвердила выводы первой группы. Они не обнаружили достаточного количества явлений микролинзирования при увеличенной вдвое чувствительности. Наблюдения на инструменте NICMOS телескопа «Хаббл» показали, что менее процента массы гало составляют красные карлики, что соответствует пренебрежимо малой доле от массы гало тёмной материи.

11-17-1. Темная материя в галактиках управляет ростом черных дыр

11-17-2. В ранних галактиках обнаружили нехватку темной материи

11-17-3. Темную материю предложили искать в форме «гравитационных молекул» в составе двойных черных дыр

11-17-4. Найдены новые доказательства существования темной материи вокруг черных дыр

               В новом исследовании астрономы изучили большое число эллиптических галактик и показали, что невидимая темная материя некоторым образом влияет на рост центральной ЧД галактики.

               «Похоже, что между количеством темной материи, содержащейся в галактике, и размером её центральной ЧД имеется какая-то таинственная связь, несмотря на то, что эти величины описывают материю на совершенно разных космических масштабах», — говорит главный автор нового исследования Акос Богдан из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США.

               Это новое исследование ставит целью разрешить неоднозначность, существующую в этой научной области. В результате предыдущих наблюдений учеными было установлено соотношение между массой центральной ЧД и суммарной массой всех звезд в эллиптических галактиках. Однако более недавние исследования указывают на строгую корреляцию между массами центральных ЧД и состоящих из темной материи гало эллиптических галактик. До сих пор ученым не было ясно, какое из этих двух соотношений имеет решающее значение.

               Изучив свыше 3000 эллиптических галактик, Богдан и его коллега Анди Гудлинг из Принстонского университета пришли к выводу, что в таких галактиках зависимость между массой гало, состоящего из темной материи, и массой центральной ЧД выражена более явно, чем зависимость между суммарной массой всех звезд галактики и массой центральной ЧД.

               Эта зависимость может быть связана с особенностями формирования эллиптических галактик, говорят ученые. Эллиптическая галактика формируется в результате слияния меньших по размерам галактик, при этом звезды и темная материя исходных галактик перемешиваются между собой. Так как масса темной материи в галактиках существенно превосходит массу нормальной материи, то темная материя «сжимает» вновь образовавшуюся галактику, управляя ростом её центральной ЧД.

               Модель возникновения галактик описана сейчас лишь в общих чертах. Согласно одной из общепризнанных теорий галактики возникают из слияния нескольких звездных скоплений. Концентрирование обычной (барионной) материи ассоциировано с образованием гало темной материи вокруг галактики. На существование этого гало у галактик-ровесниц Млечного Пути указывает необычное распределение скоростей вращения звезд. Если бы гало отсутствовало, то удаление от центра галактики приводило бы к постепенному снижению скорости материи диска. Однако, согласно наблюдениям, эта скорость растет с удалением от центра, выходя на плато. Объяснить это удается лишь с помощью введения темной материи, плотность которой растет вблизи границ галактики.

               Авторы новой работы обнаружили шесть крупных галактик, в которых скорость барионной материи падает с удалением от центра. Находка была сделана в рамках обзора сотни удаленных галактик с помощью 8,2-метрового Очень большого телескопа (VLT) Южной европейской обсерватории. Все они относятся к пиковому периоду формирования звезд — примерно 10 миллиардам лет назад. Ученые оценивали скорость вращения разных участков галактик по доплеровскому сдвигу излучения атомарного водорода в их составе. Огромное разрешение VLT позволило определить сдвиг для отдельных частей галактических дисков.

               Эти галактики можно назвать идеальными объектами исследования по двум причинам. Во-первых, они обладают среднестатистическими темпами звездообразования для своей эпохи — 50-200 масс Солнца в год. Во-вторых, их масса примерно соответствует массе Млечного Пути или слегка ее превышает. Таким образом, вероятно, это не экзотические объекты, поведение которых может быть связано с неизвестными факторами, а вполне стандартные галактики своей эпохи. Это помогут подтвердить наблюдения и статистический анализ.

               Ученые объясняют нестандартное поведение материи в галактике чрезвычайно большим потоком газа, стягивающимся из межгалактического пространства. Это, вместе с многочисленными вспышками сверхновых, замедляло вращение внешней части диска галактики. Одновременно с этим происходило пространственное разделение газа и темной материи. Из-за того, что последняя слабо взаимодействует с обычным веществом, газ гораздо быстрее терял энергию и концентрировался в центральных областях галактик. Это приводило к тому, что в центре галактики доминировала обычная барионная материя. Доля темной материи в исследованных галактиках на расстоянии половины радиуса от центра в ряде случаев не превышала семи-восьми процентов. Для сравнения, по современным данным Вселенная состоит примерно на пять процентов из барионов и на 27 процентов из темной материи.

               Интересно, что темная материя в момент, наблюдаемый учеными, еще не находится в равновесии. Ее гало в галактиках непрерывно растет и из его динамики можно попытаться получить новые ограничения на свойства этой неизученной формы материи. Более сложная задача, стоящая перед исследователями — описать переход между древним состоянием, в котором в галактике доминирует барионная материя к современному, в котором доминирует темная материя.

               А обнаружить темную материю можно будет по отличию между расчетными характеристиками гравитационных волн и фактически зафиксированными. Дело в том, что существующие модели не учитывают окружающую двойные черные дыры темную материю. Если авторы публикации правы, то при повышении чувствительности детекторов можно зафиксировать эти небольшие расхождения. Дело в том, что находящиеся вокруг пары сингулярностей частицы не могут не повлиять на гравитационные волны.

               Оригинальную гипотезу сформулировали астрофизики Таиши Икеда (Taishi Ikeda), Лаура Бернард (Laura Bernard), Витор Кардосо (Vitor Cardoso) и Мигель Зильхао (Miguel Zilhao). Они работают в научно-исследовательских учреждениях Италии, Франции и Испании.

               В своей работе ученые обратились к сходству строения молекулы водорода и двойных черных дыр. Состоящее из одного протона ядро протия (самого распространенного изотопа H) можно описать всего тремя параметрами: массой, спином и зарядом. То же самое справедливо для любой субатомной частицы. Как ни парадоксально, с точки зрения физики у черной дыры также есть всего три фундаментальные характеристики. И они аналогичны: зная ее массу, заряд и направление вращения, можно рассчитать все возможные прочие параметры этого загадочного объекта.

               Новая модель подразумевает, что так же, как в газе, вокруг двух черных дыр эквивалентной массы могут быть поля частиц. Поскольку они никак не фиксируются ни в одном диапазоне электромагнитного спектра, если они существуют, то это темная материя. Отметим, что имеется в виду скалярное поле вероятных положений частицы. В молекуле водорода это электрон, который может находиться только в строго ограниченной области вокруг двух протонов. Аналогичная область существует вокруг двойных черных дыр, только в гораздо большем масштабе.

               Икеда, Бернард, Кардосо и Зильхао отмечают, что их модель имеет серьезные ограничения. Пока не ясно, можно ли ее распространить на системы черных дыр, в которых сингулярности имеют различную массу. Кроме того, вся работа — пусть и обоснованное, но все же исключительно теоретическое построение. Аргументация авторов опирается на известные данные о строении Вселенной в целом и черных дыр в частности.

               Несмотря на отсутствие инструментов необходимой точности, их совершенствование — лишь вопрос техники. Вполне возможно, что в ближайшие годы оригинальную гипотезу «гравитационной молекулы» опровергнут или подтвердят. В любом случае, это интересный взгляд на методы обнаружения темной материи, потенциально способный существенно продвинуть астрофизику вперед.

               Сегодня известно с десяток теоретических и наблюдательных доказательств существования темной материи. Хотя все они косвенные, каждое доказательство позволяет чуть больше узнать о свойствах и распространенности темной материи, а также приблизиться к пониманию ее природы и открытию составляющих ее частиц.

               Очередное доказательство существования темной материи предложил дуэт астрофизиков из Университета образования Гонконга (КНР). Ученые выбрали в качестве объектов исследования две ближайшие рентгеновские двойные системы, состоящие из черной дыры звездной массы и звезды-компаньона — A0620-00 и XTE J1118+480. Системы, находящиеся в трех и шести тысячах световых лет от Солнца, активны и излучают в рентгеновском диапазоне при падении вещества звезды-компаньона на черную дыру.

               Вращаясь вокруг своих черных дыр, звезды-компаньоны постепенно замедляются со скоростью примерно в одну-две миллисекунды в год, согласно наблюдениям астрономов. Однако стандартная теоретическая оценка дает значение на два порядка ниже, а именно — 0,02 миллисекунды в год. При этом учет возможного магнитного торможения или влияния приливных сил не предоставляет желаемого результата и тоже расходится с наблюдательными данными.

               В новом исследовании авторы решили применить модель динамического трения к темной материи, чтобы попытаться объяснить такое расхождение теории с наблюдениями, а заодно выяснить, существуют ли всплески плотности темной материи вблизи черных дыр звездной массы. Суть модели заключается в том, что звезда, движущаяся в плотной среде из частиц темной материи, будет гравитационно притягивать их, создавая повышенную концентрацию частиц позади себя.

               Это еще более плотное скопление частиц темной материи, в свою очередь, будет оказывать коллективное гравитационное воздействие на звезду, замедляя ее. Эффект динамического трения был предложен более 70 лет назад лауреатом Нобелевской премии астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром, но ранее его не применяли к подобным системам.

               Но именно в рассматриваемом случае этот эффект позволил получить наиболее близкие к наблюдаемым значениям скорости замедления звезды-компаньона. В дальнейшем исследователи надеются применить такую модель к другим двойным системам, которых только в нашей Галактике не менее 18.

11-18-1. Обнаружена связь между черными дырами ранней Вселенной и темной материей

11-18-2. Гравитационные волны укажут на существование первичных черных дыр

11-18-3. Темная материя может состоять из первичных черных дыр

11-18-4. Тусклые карликовые галактики ограничили массу первичных черных дыр в темной материи

11-18-5. Астрономы отвергли связь черных дыр и темной материи

11-18-6. Темной материи запретили состоять из черных дыр с массой Луны

11-18-7. Первичные черные дыры и поиски темной материи в Мультивселенной

11-18-8. Исследование исключает первичные черные дыры из кандидатов на роль темной материи

11-18-9. Найдены новые доказательства существования темной материи вокруг черных дыр

               Согласно стандартному сценарию, черная дыра образуется в результате гравитационного коллапса крупной звезды. По общепринятой сейчас модели развития Вселенной звезды начали появляться только спустя 150-500 миллионов лет после Большого взрыва (эпоха реионизации), то есть до момента реионизации черные дыры не должны были возникать. С другой стороны, в ранней Вселенной вещество было очень горячим и неоднородным, и черные дыры могли появляться просто из-за колебаний его плотности. Такие черные дыры называются первичными. Отдаленно возникновение первичных черных дыр напоминает кипение абсолютно чистой воды, в которой пузырьки могут возникать только из-за колебаний плотности жидкости.

               Но наблюдать черные дыры непосредственно очень сложно, поскольку свет не может покинуть их окрестности. Поэтому в основном их ищут, оценивая гравитационное влияние  на находящиеся рядом тела. Для первичных черных дыр этот способ, очевидно, работать не будет, но есть и другие способы заметить черные дыры. Например, система, состоящая из двух черных дыр, со временем коллапсирует в одну более массивную дыру, излучая при этом гравитационные волны. По этим волнам можно примерно установить красное смещение исходной системы (то есть момент, в который произошло слияние) и массу дыр. На данный момент коллаборация LIGO зарегистрировала пять событий, отвечающих слиянию двух черных дыр, а за разработку детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну присудили Нобелевскую премию.

               Физики Саввас Кушиаппас (Savvas M Koushiappas) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) оценили, насколько часто мы должны регистрировать слияния черных дыр в зависимости от их красного смещения. Для этого ученые использовали стандартную космологическую модель и считали, что звезды и черные дыры образуются из вещества, пойманного в гало темной материи. При этом масса гало должна превышать некоторый предел, чтобы холодный молекулярный водород начал сжиматься и превращаться в звезды.

               В результате оказалось, что чем больше красное смещение, тем реже образуются черные дыры (по стандартному сценарию), и тем реже мы должны регистрировать их слияния, а начиная со смещения z = 40 регистраций быть вообще не должно. В более древние времена вещество не могло коллапсировать в дыры, и сливаться было просто нечему. С другой стороны, в те времена могли образоваться первичные черные дыры, и если мы поймаем волны с бóльшим красным смещением, это будет аргументом в пользу их существования.

               Астрономы во главе с Киронгом Чжу (Qirong Zhu) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, попытались проверить эту гипотезу, используя в качестве критерия проверки распределение плотности в гало галактик. Согласно команде Чжу, в том случае если гало галактик состоят из первичных черных дыр, распределение плотности в них будет отличаться от распределения плотности в гало галактик, состоящих из экзотических частиц.

               Исследователи считают, что в качестве объектов таких наблюдений следует выбирать тусклые карликовые галактик, поскольку для них эти эффекты изменения распределения плотности будут выражены в наибольшей степени. С помощью компьютерного моделирования авторы проверили, могут ли карликовые галактики помочь обнаружить присутствие первичных черных дыр – и пришли к утвердительному выводу. Согласно авторам взаимодействия между звездами и первичными черными дырами гало могут изменить распределение звезд в них.

               Экспериментальных доказательств существования темной материи  до сих пор не найдено. Одним из самых интересных кандидатов на роль темной материи служат первичные черные дыры (primordial black holes), возникшие на ранних этапах жизни Вселенной, когда никаких звезд еще не было. Различные экспериментальные и теоретические исследования показали, что вклад в темную материю могут давать только черные дыры определенной массы, однако первичные черные дыры до сих пор не исключили.

               Первичные черные дыры выгодно отличаются от остальных кандидатов на роль темной материи тем, что позволяют разрешить проблему каспо (cuspy halo problem). Она состоит в том, что компьютерные модели эволюции галактик обещают резкий рост плотности темной материи вблизи ее центра (острый пик, cusp), тогда как наблюдаемые в реальности кривые вращения указывают скорее на постоянное распределение (то есть ядро, core). Модели, где темная материя состоит из первичных черных дыр, таких пиков не дает. Кроме того, движение звезд внутри галактики, окруженной первичными черными дырами, немного отличается от движения звезд в других моделях темной материи. Считается, что наиболее заметны эти отличия будут в ультратусклых карликовых галактиках, имеющих светимость порядка тысячи светимостей Солнца.

               Цижун Чжу (Qirong Zhu) из Гарвардского университета, Евгений Васильев из ФИАНа, а также Юэсин Ли (Yuexing Li) и Ипэн Цзин (Yipeng Jing) из университета Шанхая численно смоделировали эволюцию таких ультратусклых галактик в предположении, что окружающая их темная материя состоит из первичных черных дыр, и определили допустимые значения масс черных дыр.

               Оказалось, что изначально острый пик распределения массы темной материи сравнительно быстро (в течение 0,1 миллиарда лет) сглаживается из-за взаимодействия черных дыр, и около центра галактики плотность темной материи выходит на постоянный уровень. Конечная плотность темной материи в центральном ядре составляет около одной-двух масс солнца на кубический парсек, в то время как плотность обычного барионного вещества примерно на два порядка меньше. При этом суммарной массы темной материи едва хватает, чтобы ультратусклая галактика начала формироваться. Из расчетов следует, что масса первичных черных дыр, составляющих темную материю лежит в диапазоне от 2 до 14 масс Солнца, что совпадает с другими теоретическими оценками.

               Большинство теорий с наиболее массивными «частицами» темной материи предлагают на их роль первичные черные дыры (ПЧД) — образовавшиеся в ранней Вселенной тела, не являющиеся продуктом эволюции звезд, что отличает их от обычных черных дыр. Идеи об их существовании были предложены еще в 1960-х, но с открытием гравитационных волн ПЧД стали намного популярнее, так как массы сливающихся объектов оказались достаточно велики, а сценарии звездной эволюции предсказывают в большинстве случаев более легкие тела. Существуют различные способы ограничить существование ПЧД. В частности, объекты легче 10¹⁵ грамм (10^-18 масс Солнца) должны были испариться за счет излучения Хокинга за время существования Вселенной, а тяжелее 10³⁵ грамм (100 масс Солнца) приводили бы к слишком сильному искажению реликтового излучения, чего не наблюдается в реальности.

               В работе международного коллектива астрофизиков из Японии, США и Индии использован метод гравитационного микролинзирования для оценок количества ПЧД в гало Млечного Пути и Туманности Андромеды. Для этого ученые в течение семи часов подряд одновременно наблюдали несколько десятков миллионов звезд Туманности Андромеды при помощи 900-мегапиксельной камеры Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru с диаметром главного зеркала в 8,2 метра. Авторов данного исследования интересовали события микролинзирования, при которых массивный объект проходит близко к линии, соединяющей наблюдателя и звезду, из-за чего яркость последней на короткое время заметно изменяется.

               Если бы ПЧД с массами, достаточными для оказания заметного гравитационного влияния на прохождение света, составляли заметную долю темной материи, то в результате подобного наблюдения ученые зафиксировали бы множество событий микролинзирования. Однако в реальности им удалось заметить только один подобный случай, что позволяет установить сильные ограничения на вклад ПЧД в массами от 10^-11 до 10^-6 солнечных (от 0,001 до 100 масс Луны): их доля составляет не более одного процента.

               Однако результаты данной работы не исключают возможности существенного вклада ПЧД в темную материю, вплоть до 100 процентов для достаточно узкого диапазона еще меньших масс. Также стоит отметить, что все реалистичные спектры масс черных дыр не монохроматичны, то есть предполагают существование объектов разных масс. Тем не менее, все они должны соответствовать строгим ограничениям данной работы. Также авторы отмечают, что наблюдения Туманности Андромеды являются наилучшим способом установления подобных ограничений.

               Такие первичные черные дыры могут отвечать за всю темную материю Вселенной или некоторую ее часть, за некоторые из наблюдаемых гравитационно-волновых сигналов, а также служить зародышами сверхмассивных черных дыр, расположенных в центре нашей и других галактик.

               Чтобы лучше понять первичные черные дыры, команда под руководством Александра Кусенко из Kavli IPMU, обратилась к изучению ранней Вселенной. Ранняя Вселенная была настолько плотной, что любая положительная флуктуация плотности величиной более 50 процентов могла привести к формированию черной дыры. Однако науке известно, что величины космологических возмущений, давших начало зародышам галактик, были намного меньше. Тем не менее, ряд процессов, протекавших в ранней Вселенной, мог привести к возникновению условий, благоприятствующих формированию черных дыр.

               Одна из интригующих возможностей состоит в том, что первичные черные дыры могли формироваться из «дочерних Вселенных» в ходе инфляции, периода стремительного расширения Вселенной, который, как считается, дал начало основным структурам, наблюдаемым в современном мире, таким как галактики и скопления галактик. Относительно малые дочерние Вселенные коллапсировали с выделением большого количества энергии в небольшом объеме и формировали таким образом черные дыры, пояснили авторы. Большие дочерние Вселенные испытывали инфляционное расширение, однако, согласно положениям теории относительности Эйнштейна, после расширения они становились огромными лишь для внутреннего наблюдателя, в то время как для внешнего наблюдателя – то есть нас с вами – эти дочерние Вселенные также должны были представляться черными дырами, добавили они.

               В своей работе команда Кусенко описала новый сценарий формирования первичных черных дыр и показала, что черные дыры, формирующиеся по сценарию Мультивселенной, могут быть обнаружены при помощи камеры Hyper Suprime-Cam (HSC) 8,2-метрового телескопа «Субару». Уникальность данной камеры состоит в том, что она может делать подробные снимки всей галактики Андромеда целиком – и если в это время перед одной из звезд галактики проходит первичная черная дыра, то становится возможным определение массы такой черной дыры. Ранее команда из Kavli IPMU уже сообщала в опубликованном исследовании (Takada et. al., 2019, Nature Astronomy 3, 524-534) об интригующем новом кандидате на роль первичной черной дыры, обнаруженном при помощи камеры HSC.

               Ученые предполагают, что в течение доли секунды до образования Вселенной пространство не было полностью однородным, поэтому более плотные и горячие области могли коллапсировать в черные дыры. В зависимости от того, когда именно они были сформированы в течение этой доли секунды, эти ПЧД могли иметь разные массы и связанные с ними характеристики.

               Некоторые физики считают, что ПЧД вносят значительный вклад в прогнозируемое изобилие темной материи во Вселенной. Наблюдения гравитационных волн, собранные в рамках сотрудничества LIGO-Virgo-KAGRA, и ограничения, установленные этими наблюдениями, предполагают, что это крайне маловероятно.

               Тем не менее, некоторые исследования показали, что кластеризация ПЧД во время их формирования может изменить скорость их слияния, что потенциально позволит получить значения в пределах ограничений, установленных LIGO-Virgo-KAGRA. Эта кластеризация также потенциально повлияла бы на существующие ограничения микролинзирования, поскольку кластеры ПЧД будут действовать как массивная одиночная линза, которую нельзя изучать с помощью исследований микролинзирования.

               Темная материя не излучает и не отражает свет, поскольку никак не участвует в электромагнитном взаимодействии, что делает ее исключительно сложным объектом для обнаружения. Многие современные исследования направлены на поиски доказательств существования этой формы материи или методов, которые позволили бы ее обнаружить. И все, чем могут располагать ученые, — знание, что гипотетические частицы темной материи взаимодействуют друг с другом и другими частицами только гравитационно, и то, что этой невидимой материи примерно в пять раз больше, чем наблюдаемого нами вещества. Тем не менее, известно с десяток теоретических и наблюдательных косвенных доказательств существования темной материи.

               Очередное доказательство существования темной материи предложил дуэт астрофизиков из Университета образования Гонконга (КНР). Ученые выбрали в качестве объектов исследования две ближайшие рентгеновские двойные системы, состоящие из черной дыры звездной массы и звезды-компаньона — A0620-00 и XTE J1118+480. Системы, находящиеся в трех и шести тысячах световых лет от Солнца, активны и излучают в рентгеновском диапазоне при падении вещества звезды-компаньона на черную дыру.

               Вращаясь вокруг своих черных дыр, звезды-компаньоны постепенно замедляются со скоростью примерно в одну-две миллисекунды в год, согласно наблюдениям астрономов. Однако стандартная теоретическая оценка дает значение на два порядка ниже, а именно — 0,02 миллисекунды в год. При этом учет возможного магнитного торможения или влияния приливных сил не предоставляет желаемого результата и тоже расходится с наблюдательными данными.

               Авторы решили применить модель динамического трения к темной материи Суть модели заключается в том, что звезда, движущаяся в плотной среде из частиц темной материи, будет гравитационно притягивать их, создавая повышенную концентрацию частиц позади себя.

               Это еще более плотное скопление частиц темной материи, в свою очередь, будет оказывать коллективное гравитационное воздействие на звезду, замедляя ее. Эффект динамического трения был предложен более 70 лет назад лауреатом Нобелевской премии астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром и, на удивление авторов исследования, ранее его не применяли к подобным системам.

               В данном этот эффект позволил получить наиболее близкие к наблюдаемым значениям скорости замедления звезды-компаньона. Ученые надеются применить такую модель к другим двойным системам, которых только в нашей Галактике не менее 18 штук.

11-19-1. Темная материя и космология

11-19-2. Стандартная космологическая модель (ΛCDM)

11-19-3. Стандартная космологическая модель (ΛCDM)

11-19-4. Ускоренное время избавило физиков от темной материи

11-19-5. Космологи предложили объяснение дефициту темной материи во Вселенной

11-19-6. Физики выяснили, сколько тёмной материи потеряла Вселенная

11-19-7. Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении

11-19-8. «Светлые» и «темные» галактики указали на возможный переворот в космологии

11-19-9. Интервью с Николаем Горькавым

11-19-10. Далекие галактики раскрывают истинную природу темной материи

11-19-11. Темная материя может быть следствием существования «Антивселенной», противоположной нашему миру

Комментарий

               В рамках работы ученые предложили два понятия времени - глобальное (космологическое) и локальное (координатное). Глобальное время в их представлении - это некоторый параметр t, которым занумерованы трехмерные «срезы» четырехмерного пространственно-временного континуума. Вселенная в такой модели берется на достаточно больших масштабах и считается усредненной и однородной. Эти срезы есть состояния пространства вместе со всей материей в ней в каждый момент времени. Локальное время - это время, которое может измерить наблюдатель с помощью некоторых часов в фиксированной системе координат в окрестности некоторой точки пространства.

               Традиционно эти два параметра (в отсутствии материи, разумеется) совпадают. Однако Магейн и Ауре решили, что, вообще говоря, два времени совпадать не обязаны. Так как глобальное время довольно сложный для работы параметр, физики предложили взять в качестве меры этой величины энтропию. Соответственно, локальное время меняется как функция энтропии в окрестности выбранной за начало координат точке пространства

               В рамках теории относительности время для часов движущихся относительно неподвижного наблюдателя течет медленнее, чем для часов этого наблюдателя, однако предполагается, что время тех часов, что находятся в покое течет с постоянной (без учета действия на них гравитации) скоростью на протяжении всего существования Вселенной. Магейн и Ауре идут на один шаг дальше этой точки зрения и выдвигают гипотезу, согласно которой скорость течения времени неподвижных часов зависит от динамического состояния Вселенной.

               Разбирая вопрос о скорости течения космологического времени, которое в их модели отличается от координатного, авторы приходят к выводу, что по мере роста энтропии Вселенной космологическое время замедляется. В такой модели далекие объекты, движущиеся с постоянной «космологической» скоростью от наблюдателя кажутся ему ускоряющимися.

               Это, в свою очередь, означает, что в их модели наблюдаемое по яркости вспышек сверхновых типа Ia ускоренное расширение Вселенной на протяжении последних 6 миллиардов может быть вызвано не космологической константой (темной энергией), а именно замедлением космологического времени. Для нас, как локальных наблюдателей, оно создает впечатление мнимого ускорения расширения Вселенной, практически неотличимое от реального.

               Энтропия черной дыры пропорциональна площади её горизонта, деленной на квадрат т.н. гравитационной длины Планка (10^–33см). Из-за очень малой величины последней для нормальной черной дыры значение энтропии получается чрезвычайно большим, на много порядков больше, чем от любого другого источника. В то же время совершенно не ясно, из чего конкретно она могла бы складывается, поскольку никаких явных компонентов, которые своим хаотичным движением могли бы способствовать беспредельному увеличению энтропии в черной дыре не известно. С учетом того, что точная численность и масса всех ЧД Вселенной на сегодня также неизвестна, авторы специально оговаривают, что источники энтропии влияют на скорость течения времени только если они связаны с данным районом причинно-следственные связями. Благодаря этому бельгийцы исключают из общего бюджета энтропии во Вселенной черные дыры – все, что находится в пределах горизонта событий черных дыр не имеет прямых связей с остальной пространством-временем.

               Базируясь на оценке уровня роста энтропии за время после Большого взрыва, исследователи оценивают давность этого события в 15,0±0,5 миллиарда лет (для равномерного течения времени), что значительно древнее нынешних оценок (13,7-13,8 миллиарда лет). Таким образом в их сценарии значительно проще выглядит вопрос о том, как могли возникнуть те отдаленные галактики, возраст которых по красному смещению оценивается более чем в 13 миллиардов лет. Последние открытия такого рода означают, что в рамках Стандартной модели на их формирование (включая предшествующую эпоху реионизации) отводит довольно мало времени. Поэтому для объяснения формирования галактик, среди прочего, используют темную материю.

               Авторы полагают, что их гипотезу нельзя проверить с помощью анализа красного смещения. Если их модель верна, то все существующие физические законы должны быть функцией изменяющегося по скорости космологического времени. А значит фотоны от отдаленных источников будут испытывать такое же красное смещение, как и при нынешней стандартной космологической модели Лямбда-CDM.

               Поэтому для проверки своей космологической модели ученые решили сверить ее с диаграммой Хаббла, использующей сверхновые типа Ia. В диаграмме сопоставляется их абсолютная светимость (принятая за константу) с красным смещением доходящих от нее фотонов. Авторы учли 580 сверхновых этого типа, указанных в публикации Supernova Cosmology Project от 2012 года. В итоге такого сравнения их космологическая модель показывает среднюю плотность материи во Вселенной равной Ω°=0,051±0,014, что удовлетворяет наблюдаемым значениям обычной (барионной) материи. Таким образом она не требует привлечения экзотической темной материи, длительные поиски которой пока не увенчались решительным успехом. По мнению авторов, это выгодно отличает модель с переменной скоростью космологического времени от нынешней Стандартной модели, где скорость течения времени постоянна.

               С другой стороны темная материя привлекается не только для объяснения формирования крупных галактик на раннем этапе развития Вселенной. Кривая вращения галактик, как известно, указывает, что звезды в рукавах спиральных галактиках вращаются вокруг центра с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от этого центра. В то же время по расчетам, учитывающим лишь гравитационное воздействие обычной материи, этого быть не может. В настоящее время данную проблему решают, привлекая для объяснения темную материю, предположительно находящуюся в гало вокруг галактик и своей гравитацией «раскручивающую» внешние части галактик до наблюдаемых скоростей.

               Наконец, ученые используют темную материю и для закрытия ряда других непростых вопросов. В частности, наблюдения излучения от газа в галактических скоплениях рентгеновским телескопом «Чандра» указывает, что видимая часть массы скоплений галактик в 7-8 раз меньше чем нужно, чтобы удержать их вместе своей гравитацией. Тот факт, что скопления явно существуют указывает, что основная часть материи окружающей Вселенной нами пока не регистрируется.

               «Расхождение космологических параметров в современной Вселенной и во Вселенной вскоре после Большого взрыва, можно объяснить тем, что доля тёмной материи уменьшилась. Мы впервые смогли рассчитать, на сколько тёмной материи стало меньше и насколько велика была нестабильная компонента», — говорит соавтор исследования академик Игорь Ткачёв, заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН и преподаватель кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.

               Природа тёмной материи до сих пор остаётся неизвестной, однако, похоже, именно её свойства помогут учёным решить проблему, возникшую перед ними после анализа результатов наблюдений космического телескопа «Планк». Этот аппарат с высокой точностью измерял флуктуации температуры реликтового микроволнового фона — «эха» Большого взрыва. Измеряя эти флуктуации, учёные смогли вычислить ключевые космологические параметры Вселенной в эпоху рекомбинации — примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва.

               «Выяснилось, что некоторые из этих параметров, а именно параметр Хаббла, описывающий скорость расширения Вселенной, а также параметр, связанный с количеством галактик в скоплениях, значительно расходятся с данными, которые мы получаем из наблюдений за современной Вселенной, например, непосредственно измеряя скорость разлета галактик и исследуя скопления. Это расхождение оказалось значительно больше погрешностей и известных нам систематических ошибок. Поэтому либо мы имеем дело с некоей неизвестной нам ошибкой, либо состав древней Вселенной существенно отличался от современного», — говорит Ткачёв.

               Объяснить расхождение позволяет гипотеза распадающейся тёмной материи, согласно которой в ранней Вселенной тёмной материи было больше, затем часть ее распалась. Эта модель получила обозначение DDM (от Decaying Dark Matter).

               «Представим, что тёмная материя состоит из нескольких компонент, как и обычная (протоны, электроны, нейтроны, нейтрино, фотоны). И одна компонента состоит из нестабильных частиц, чьё время жизни довольно большое: в эпоху образования водорода (сотни тысяч лет после Большого взрыва) они ещё есть во Вселенной, а к современному моменту (миллиарды лет) они уже исчезли, распавшись в нейтрино или гипотетические релятивистские частицы. Тогда количество тёмной материи в эпоху образования водорода и сегодня будет разным», — говорит ведущий автор исследования, профессор МФТИ и сотрудник ИЯИ РАН Дмитрий Горбунов.

               Авторы исследования, Игорь Ткачёв, Дмитрий Горбунов и Антон Чудайкин из ИЯИ РАН, МФТИ и НГУ проанализировали данные «Планка» и сопоставили их с моделью DDM и общепринятой моделью ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) со стабильной тёмной материей. Сравнение показало, что DDM больше соответствует данным наблюдений. Однако учёные обнаружили, что эффект гравитационного линзирования ограничивает долю распадающейся тёмной материи в модели DDM.

               Использование данных наблюдений обсерватории различных космологических эффектов дало оценку относительной концентрации распадающейся компоненты тёмной материи в пределах от 2% до 5%.

«Это означает, что в сегодняшней Вселенной на 5% меньше тёмной материи, чем было в эпоху рекомбинации. Мы сейчас не можем сказать, как быстро распалась эта нестабильная часть, возможно, что тёмная материя продолжает распадаться и сейчас, хотя это уже другая значительно более сложная модель», — говорит Ткачёв.

               Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде предположили, что в пространстве-времени есть дополнительное измерение, в котором и надо искать темную материю. Эта гипотеза представляет собой вариант теории самовзаимодействующей темной материи (SIDM — Self-interacting dark matter) — согласно ей, фактически невидимые частицы взаимодействуют между собой посредством неизвестной темной силы, результате чего перестают вести себя как частицы и становятся совершенно невидимыми.

               Впервые астрономы из Йельского университета заподозрили, что с галактикой NGC 1052-DF2 что-то не так, еще в 2018 году. Тогда снимки «Хаббла» показали, что масса обычной материи — звезд и газа — совпадает с массой галактики в целом, расхождение не превышало нескольких процентов. Последнюю определяют по воздействию ее тяготения на скорость движения ее же звезд, поэтому практически всегда можно выяснить, есть ли там темная материя.

               Открытие вызвало недоверие, поскольку выглядело невероятным. Поясним: по современным представлениям, галактики и звезды в них вообще не могли бы возникнуть без гало темной материи, в которое погружена, как считалась, каждая галактика Вселенной. Дело в том, что масса темной материи в разы больше, чем обычной, и именно она в основном и притягивала молекулы вещества в ту или иную галактику на этапе ее возникновения. Выходит, галактик без темной материи просто не должно быть.

               Некоторые ученые предположили, что открытие основано на переоценке расстояния до NGC 1052-DF2. Если она ближе, чем кажется астрономам, оценки компонентов ее масс «плывут», «возвращая» темную материю внутрь галактики. Появилась работа, оценившая расстояние до нее всего в 42 миллиона световых лет, а не в 65 миллионов, как в исходной работе Йельского университета. Тогда она «выглядела» вполне нормальной, с разумной долей темной материи.

               Совсем недавно другая группа астрономов попробовала проверить эту гипотезу и особо точно определить расстояние до NGC 1052-DF2. Для этого они использовали снимок красного сверхгиганта на окраине этой галактики, сделанный «Хабблом». Красные сверхгиганты на определенных стадиях эволюции имеют практически одинаковые светимости вне зависимости от массы. Поэтому из абсолютной светимости, наблюдаемой в земные телескопы, легко выяснить расстояние до такой звезды — и, конечно, ее галактики.

               Оказалось, ошибка была — вот только не в ту сторону, что все ожидали. Расстояние до нее составило 72 миллиона световых лет, а не 65 миллионов, как считалось ранее. Значит, доля темной материи там еще ниже, чем те несколько процентов, что подозревали до сих пор. В ней как минимум в 400 раз меньше темной материи, чем должно быть, исходя из массы ее обычной материи. Интересно, что в прошлом году подобные оценки были получены для другой галактики в том же секторе — NGC 1052-DF4. Исходно они возникли в одном месте, но затем пути разошлись — и сейчас между ними 6,5 миллиона световых лет.

_{naked-science.ru, 26 июня 2021, Александр Березин}

_{https://naked-science.ru/article/astronomy/darkmatterisnowimp?utm_source=inarticle&utm_medium=inarticle&utm_campaign=inarticle}

_{astronews.ru, 13 февраля2022}

_{https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20220213190957}

_{Журнал Astronomy and Astrophysics. 2022}

_{Гаури Шарма (Gauri Sharma) из Международной школы перспективных исследований SISSA, Италия}

               Новая необычная идея предполагает, что в момент Большого взрыва вместе с нашей Вселенной появилась и «зеркальная», устремившаяся по оси времени в обратном направлении. Хотя попасть в этот противоположный мир в принципе невозможно, его существование должно проявляться во Вселенной в форме пока не обнаруженной разновидности нейтрино. Скопления таких нейтрино могут создавать темную материю, частицы которой не удается найти, невзирая на все усилия физиков.

               Гипотезу о существовании «зеркальной» вселенной еще несколько лет назад выдвинула команда ученых во главе с известным южноафриканским астрофизиком Нилом Туроком (Neil Turok), который сейчас работает в Манчестерском университете (Великобритания). В своей статье они рассматривают некоторые следствия из этой необычной идеи, в том числе о темной материи.

               Современная наука опирается на представление о симметрии, присущей физическим законам. Она заключается в неизменности поведения системы при некоторых преобразованиях. Так, заряды частиц можно заменить на противоположные, и все взаимодействия между ними останутся прежними. Самая фундаментальная симметрия — СРТ-инвариантность — говорит о неизменности физических законов при одновременной инверсии зарядов (С), координат (Р) и времени (Т).

               Науке известны различные исключения — нарушения Р- и С-симметрии, а также различных их комбинаций. Например, нарушение СР-инвариантности может приводить к доминированию частиц и почти полному отсутствию античастиц во Вселенной. Однако одновременного нарушения СРТ-симметрии пока не обнаружили: если в системе обратить на противоположные и заряды, и координаты, и время, в принципе для нее ничего не изменится.

               Нил Турок и его соавторы применили СРТ-инвариантность к самой Вселенной. В такой гипотетической картине наш мир получается лишь половиной двойной системы. Его СРТ-обратный близнец путешествует по времени в противоположном направлении, имея противоположные заряды и зеркально отраженные координаты.

               Расчеты показали, что такая «двойная» Вселенная позволяет довольно просто объяснить существование темной материи. Эта загадочная субстанция не видна ни одним научным инструментом, поскольку способна взаимодействовать с обычным веществом лишь посредством гравитации. Темную материю можно заметить только по притяжению обычной: например, по траекториям звезд вокруг невидимого гравитирующего скопления. Это позволяет картировать сгустки темной материи в масштабах целых галактик, но не дает возможность уловить и исследовать частицы, из которых она состоит.

               До сих пор об этих частицах существуют исключительно гипотетические представления. И если отталкиваться от того, что мы живем лишь в половине из целостной «двойной» СРТ-инвариантной Вселенной, то одной гипотезой становится больше. Нил Турок с коллегами показали, что в этом случае должны появляться нейтрино новых типов.

               Сегодня их известно шесть (электронное, мюонное и тау-нейтрино плюс их античастицы с противоположными зарядами), все они обладают положительным спином, хотя остальные фундаментальные частицы бывают и с положительным, и с отрицательным. Но вот в «двойной» Вселенной должны существовать и нейтрино с обратным спином. Они практически никак не взаимодействуют с обычным веществом и могут проявляться лишь в очень массовых скоплениях, за счет своей гравитации — совсем как гипотетическая темная материя. По расчетам Нила Турока и его коллег, количества таких нейтрино должно быть достаточно, чтобы наблюдались все нужные эффекты темной материи.

               Необычная гипотеза позволяет сделать несколько проверяемых выводов о фундаментальных свойствах нейтрино. В частности, она предсказывает, что по меньшей мере один тип этих частиц должен быть безмассовым. Пока этот вопрос остается открытым: эксперименты позволили установить лишь верхний предел масс нейтрино. Возможно, новые работы помогут выяснить их окончательно — и мы получим первое свидетельство в пользу существования у нашей Вселенной зеркального близнеца.

               Космологи сегодня полагают, что материя после Большого взрыва была распределена неравномерно. В местах с повышенной плотностью происходило дальнейшее накопление материи по механизму положительной обратной связи, вызываемому гравитационными силами. На протяжении нескольких миллиардов лет эти сгустки материи в конечном счете превратились в галактики, которые мы наблюдаем сегодня.

               Важной составляющей этой гипотезы является темная материя. С одной стороны, она должна отвечать за изначально неравномерное распределение материи. Одновременно она объясняет некоторые несоответствия в наблюдательных данных. Например, звезды во вращающихся галактиках часто движутся с настолько высокими скоростями, что суммарная гравитация всей видимой материи галактики не может удержать их от выхода из галактики – и тем не менее звезды продолжают двигаться в составе галактики. Астрономы относят это дополнительное притяжение, «склеивающее» галактику в единое целое, на счет темной материи.

               Однако темная материя до сих пор так и не была ни разу обнаружена напрямую. Одна из альтернатив этой гипотезы носит название MOND (MOdified Newtonian Dynamics, «модифицированная ньютоновская динамика»); она была предложена израильским физиком профессором Мордехаем Милгромом. Согласно этой гипотезе, в масштабе галактик уравнения ньютоновской динамики следует корректировать в сторону увеличения силы гравитационного взаимодействия.

               В новой работе доктор Павел Крупа (Pavel Kroupa) из Боннского университета с коллегами построили модель формирования звезд и галактик на основе гипотезы MOND, начиная с газового облака, возникшего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Согласно авторам, результаты моделирования показали близкое соответствие наблюдениям ночного неба при помощи современных телескопов, особенно в части распределения и скоростей звезд. Кроме того, как отмечают Крупа и его коллеги, эти расчеты дают больше спиральных и дисковых галактик, подобных Млечному пути, по сравнению с расчетами на основе гипотезы темной материи - что точнее отражает устройство современной Вселенной. Вдобавок расчеты на основе гипотезы MOND менее чувствительны к изменению ряда параметров, таких как частота сверхновых и их влияние на распределение материи в галактиках, пояснил Крупа.

               Это имеет большое значение, говорят астрофизики, поскольку является еще одним подтверждением данной гипотезы – называемой модифицированной ньютоновской динамикой (modified Newtonian dynamics, MOND) – как обоснованного объяснения космологической дилеммы, состоящей в том, что галактики, словно не подчиняются давно известным законам гравитации, сформулированным еще сэром Исааком Ньютоном в конце 1600-х гг.

               Суть загадки: на протяжении десятилетий мы измеряем в космосе более интенсивное гравитационное притяжение, чем ожидаем – и наоборот, для настолько интенсивной гравитации мы не можем найти достаточного количества объясняющей ее материи.

               Гипотеза MOND, была предложена физиком Мордехаем Милгромом из Института Вейцмана, Израиль, в начале 1980-х гг., и согласно данному сценарию, это дополнительное гравитационное притяжение объясняется небольшим изменением законов гравитации.

               Вместо дополнительного гравитационного притяжения невидимой и недоступной обнаружению темной материи, гипотеза MOND постулирует, что гравитация при невысоких ускорениях является более сильной, чем прогнозируется, исходя из «чистого» ньютоновского понимания.

               Кроме того, гипотеза MOND делает смелый прогноз: внутренние перемещения объекта в космосе зависят не только от массы объекта, но и от гравитационного притяжения всех других массивных объектов Вселенной – так называемое «влияние внешнего поля» (external field effect, EFE). Согласно Милгрому, подтверждение EFE эффекта стало бы неоспоримым подтверждением гипотезы MOND.

               Теперь в новом исследовании астрофизики во главе с Кю-Хёном Чжэ (Kyu-Hyun Chae) из Университета Седжон, Южная Корея, сообщают о подтверждении EFE-эффекта для набора из более чем 150 изученных галактик.

_{astronews.ru, 31 декабря 2022}

               Как полагают в связи с этим авторы исследования, ее там и нет, а наблюдаемые странности во вращении галактических дисков указывают на то, что мы неправильно понимаем природу гравитации. Статья с новой стороны подходит к показу некорректности стандартной космологической модели, предлагая вместо нее разновидность МОНД — гипотезы модифицированной ньютоновской динамики, согласно которой закон всемирного тяготения просто не работает для малых ускорений.

               Около полувека назад астрономы получили надежные наблюдательные данные о том, что диски галактики — и нашей тоже — ведут себя ненормально. В Солнечной системе чем дальше планета от светила, тем медленнее она следует по траектории вокруг него. Судя по известным данным об экзопланетах, так же дело обстоит в других планетных системах. А вот в галактиках вместо этого скорость вращения звезд в краях галактических дисков (относительно галактических центров) примерно та же, что у самого ядра. Из этого был сделан вывод, что есть какие-то невидимые — ни в каком диапазоне — объекты, окружающие галактики, которые своим тяготением раскручивают края этих дисков.

               Такая гипотеза «темной материи» была логичной, но требовала объяснения, что же это такое. Десятки лет физики предполагали, что это некие экзотические частицы-вимпы, имеющие массу, но не взаимодействующие с фотонами всех видов излучения. Проблемой оказалось то, что подобные частицы ни в каких экспериментах не обнаруживались.

               В 1983 году предложили иной подход к решению проблемы — MOND, модифицированная ньютоновская динамика. Согласно ей, на краях галактических дисков, где действие гравитации материи из ядра галактики ослабевает (в силу огромных удалений от него), закон всемирного тяготения изменяется — причем так, что объекты в таких зонах могут двигаться вокруг центра галактик намного быстрее, чем позволяет стандартное представление о гравитации. Проблемой MOND, однако, было то, что она плохо объясняла динамику в скоплениях и сверхскоплениях галактик. Там больше было похоже на то, что все же есть некая невидимая масса — иначе объяснить движения крупных скоплений галактик было сложно.

               Авторы новой работы предложили что-то вроде гибридного подхода с сильным перевесом в сторону MOND. По их мнению, логично предположить, что легкое стерильное нейтрино имеет массу. Стерильным называют такую гипотетическую разновидность нейтрино, которое не просто очень слабо взаимодействует с веществом, как нейтрино обычное, а вообще с ним не взаимодействует, кроме как гравитационно. На сегодня показано, что если такие частицы и есть, то их масса ниже сотен электронвольт. Следовательно, они не могут дать Вселенной столько массы, чтобы «закрыть» всю потребность в темной материи.

               Исследователи попытались объяснить «немондовскую» динамику в скоплениях галактик за счет того, что стерильные нейтрино все же есть, просто их масса мала — ниже сотен электронвольт — и влияет на положение дел лишь на больших масштабах, например в скоплениях. А вот на масштабах галактик все хорошо предсказывает и MOND.

               Ученые делают вывод, что их вариант имеет больше предсказательной силы, чем стандартная космологическая модель. Последняя указывает, что динамика краев дисков в разных галактиках может быть разной, поскольку эволюция той или иной галактики способна различаться. В итоге и количество темной материи в одной может быть меньше, чем в другой.

               С точки зрения авторов новой работы, то, что MOND не нуждается в учете эволюции каждой галактики, говорит о ее «большей предсказательной силе». При этом для случаев, когда MOND не объясняет скорость движения краев галактик («галактики без темной материи», в рамках стандартной космологической теории), исследователи предполагают некую «недостаточность данных».

               Работа интересна тем, что поднимает действительно острые проблемы. Например, ее авторы правы, когда отмечают: спиральные галактики с перемычкой указывают на то, что в самих галактических дисках темной материи практически нет. Перемычкой («баром») в спиральной галактике называют область из ярких звезд, выходящую из галактического центра и пересекающей галактику посередине. Она есть у двух третей спиральных галактик, включая наш Млечный Путь.

               Перемычки вращаются, и если бы галактики были обладателями большого количества темной материи, она замедляла их со временем. Однако у большинства спиральных галактик с перемычками замедления не происходит. Это достаточно серьезный аргумент в пользу того, что в самой галактике темной материи нет.

               Авторы новой статьи составили кривые, показывающие скорости вращения звезд в различных частях нашей галактики. Поскольку эти скорости определяются действующей на эти звезды гравитацией, именно по ним можно узнать реальную массу Млечного Пути, которая до этого оставалась объектом ожесточенных дискуссий.

               Работа принесла два больших сюрприза. Во-первых, оказалось, что Млечный Путь не показывает ускоренного вращения краев галактического диска, как почти все сколько-нибудь хорошо изученные спиральные галактики, кроме нашей. На расстоянии от 63 до 86 тысяч световых лет от центра Млечного Пути скорость вращения его звезд вокруг галактического центра падает в среднем на 30 километров в секунду. Это не так мало: например, Солнце вращается вокруг ядра Галактики со скоростью 230 километров в секунду. Фактически убывание скоростей вращения звезд в нашей Галактике выглядит как «кеплеровское замедление», сходное с тем, что видно для внешних планет Солнечной системы. И не наблюдаемое пока в других галактиках Вселенной, похожих на нашу.

               Это не значит, что темной материи у нас нет: по расчетам авторов новой работы, ее здесь втрое больше, чем обычной. Проблема в том, что для других спиральных галактик это соотношение — шесть к одному, то есть вдвое больше.

               Второй большой сюрприз: масса Млечного Пути оказалась равна примерно 200 миллиардам масс Солнца. Это примерно в пять раз меньше прошлых общепринятых оценок (триллион солнечных масс) и заметно меньше, чем у других спиральных галактик тех же размеров, что наша, наблюдаемых астрономами. Из этого следует, что оценки масс галактик — спутников Млечного Пути (например, Большого Магелланова облака) нужно пересматривать «вниз», причем довольно сильно.

               Авторы исследования отметили, что, согласно их результатам, Млечный Путь оказывается экстраординарно редкой и экстраординарной бедной материей Галактикой. Причины этого пока не ясны.

               Среди возможных объяснений ученые приводят то, что после 8-10 миллиардов лет назад наша Галактика практически не испытывала крупных слияний и поглощений (то есть не присоединяла к себе другие галактики). В то же время большинство других наблюдаемых спиральных галактик испытывали крупные слияния не позднее шести миллиардов лет назад. Возможно, что и малое число поздних слияний и малое количестве темной материи у нас как-то связано с тем, что строение рукавов в нашей галактике несколько отличается от большинства наблюдаемых спиральнрых.

Другое объяснение: «Гайя» использует иные методы для учета скоростей движения галактик. Если с ней что-то не так, то новые результаты по массе и скоростям в Млечном Пути тоже некорректны. В каком-то смысле такой вариант не менее потрясающий, чем первый, поскольку на точности цифр «Гайя» основывается немало выводов астрономов за последние годы.

               Отдельно отметим, что если цифры «Гайи» все же корректны, то гипотеза модифицированной ньютоновской динамики (МОНД) неверна. Модифицированная ньютоновская динамика — это теория, предполагающая, что гравитация имеет разную силу для разных расстояний. То есть это объяснение, полностью альтернативное современной физической картине мира, основанной на теории относительности, несовместимой с таким подходом.

               МОНД долгие годы пользовалась определенной популярностью, поскольку позволяет и объяснить слишком быстрое вращение дисков других галактик, и не искать темную материю, которая объясняла бы такое вращение. Но, если в нашей Галактике никакого быстрого вращения периферических частей галактического диска нет, а есть кеплеровское замедление его звезд, то МОНД, очевидно, неверна: гравитация не может ослабевать с расстоянием везде, кроме Млечного Пути.

               Зато другие подходы — конкретнее, темная материя — с новой работой получили серьезное подтверждение. Количество темной материи в разных галактиках может различаться в рамках самых разных гипотез о ее природе. Теперь осталось лишь выяснить, какая именно из них верна: та, что опирается на данные гравитационного телескопа LIGO, или какие-то иные.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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