РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как найти темную материю

Наша вселенная состоит из обычной (барионной) материи всего лишь на 15%. Остальные 85% составляет таинственная темная материя, природа которой пока остается неизвестной.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В 1933 году американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки, наблюдая за шестью сотнями галактик в скоплении Кома, расположенном в 300 млн световых лет от Млечного Пути в направлении созвездия Волосы Вероники (Coma Berenices), обнаружил, что масса этого скопления, определенная исходя из скорости движения галактик (так называемая динамическая масса), в 50 раз больше массы, вычисленной с помощью оценки светимости звезд. С такой же нехваткой массы в галактическом кластере Вирго тремя годами позже столкнулся американец Синклер Смит. Столь серьезное расхождение было невозможно объяснить погрешностью расчетов, поэтому ученые пришли к заключению, что Млечный Путь и некоторые спиральные галактики содержат несветящееся вещество, масса которого значительно превышает массу звезд. Это «невидимое» вещество Цвикки в 1933 году назвал темной материей. Голландский астроном Ян Оорт предложил этот термин годом раньше, но использовал его для изложения ошибочной гипотезы. Поэтому отцом темной материи считается все же Цвикки.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Альтернативы

Очень долго темная материя мало кого интересовала. Астрономы полагали, что проблема скрытой массы разрешится после того, как удастся собрать более полную информацию о космическом газе и очень тусклых звездах. Ситуация начала меняться лишь после того, как в 1970 году американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд опубликовали результаты измерений скоростей звезд и газовых облаков крупной спиральной галактики М31 — туманности Андромеды. Против всех ожиданий оказалось, что вдали от ее центра эти скорости примерно постоянны. Через несколько лет они получили аналогичные данные для десятков спиральных галактик, а вскоре их подтвердили и другие исследователи.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Дело в том, что скорость планеты, обращающейся вокруг одиночной звезды, обратно пропорциональна квадратному корню из радиуса ее орбиты — следовательно, с расстоянием она монотонно убывает. Это связано с тем, что сила тяготения звезды убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, а других источников тяготения в этой системе нет. Основная масса галактики, напротив, приходится на звезды и газовые скопления, находящиеся на приличных дистанциях от ее ядра. Поэтому скорости внутригалактических объектов по мере удаления от ядра должны возрастать, достигнуть максимума, а затем убывать до очень малых значений. Вот этого как раз обнаружить и не удалось: после прохождения максимума скорости уменьшались, однако к нулю не стремились.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Позже обнаружились и другие аномалии. Так, в тусклых эллиптических галактиках скорости звезд на периферии вообще не желали падать и выходили на предельные значения, постепенно повышаясь. К началу 1980-х годов астрономы заподозрили, что для объяснения динамики галактик и галактических скоплений необходимо учитывать какие-то ранее неизвестные факторы. Правда, многие еще долго винили в расхождениях с теорией гравитационное воздействие невидимых скоплений холодного газа и остывших белых карликов, однако эти данные в итоге не подтвердились. Поэтому вот уже более тридцати лет в борьбе за интерпретацию аномалий конкурируют два принципиально разных подхода. Первый из них основан на переписывании второго закона Ньютона, второй — на поиске новых источников гравитационных полей в галактических масштабах.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Прав ли Ньютон?

Объяснить стабилизацию звездных скоростей на внешних границах спиральных галактик в принципе не особенно трудно. Достаточно предположить, что ньютоновский закон всемирного тяготения не работает на гигантских расстояниях, сравнимых с удаленностью периферийной звезды от галактического центра. Допустим, что сила притяжения таких звезд к центральной области галактики уменьшается обратно пропорционально расстоянию, то есть куда медленней, чем предписано Ньютоном. В этом случае звездные скорости на периферии будут постоянными и ненулевыми. Однако эта простая гипотеза приводит к выводам, которые наблюдениями не подтверждаются.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
В начале 1980-х израильский физик Мордехай Милгром показал, что наблюдаемые аномалии можно объяснить, если откорректировать основной закон механики Ньютона, в соответствии с которым ускорение пропорционально действующей на тело силе. Милгром предположил, что очень малые ускорения пропорциональны не силе, а ее квадратному корню. Эта концепция известна как модифицированная ньютоновская динамика (Modified Newtonian Dynamics, MOND). На ее основе разработаны протоколы вычислений, позволившие объяснить не только поведение звездных скоростей, но и еще многие особенности динамики галактик. Позднее теорию Милгрома обобщили и расширили ее возможности, что позволило объяснить эффект гравитационного линзирования, который для первой версии MOND оставался неразрешимой задачей.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Парадигма MOND оказалась на редкость жизнеспособной. Вплоть до настоящего времени она имеет убежденных, хотя и не слишком многочисленных сторонников, которые продолжают ее совершенствовать. Однако большинство специалистов все-таки считают, что галактические аномалии можно объяснить и без радикального покушения на основы ньютоновской динамики, которое требует и пересмотра общей теории относительности. Одновременно с MOND начала формироваться конкурирующая парадигма. Она основана на гипотезе, согласно которой в создании галактических гравитационных полей участвуют частицы, до сих пор ускользающие от наблюдения. Их-то теперь и называют темной материей.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Темные частицы

Гипотетические частицы этой загадочной материи пришли в астрономию из космологии. Лет сорок назад стало понятно, что наша Вселенная обладает плоской или почти плоской геометрией, и поэтому средняя плотность ее вещества должна не слишком отличаться от 10-29 г/см3. Уже тогда было очевидно, что известного науке вещества для этого никак не хватает. Проблему можно было устранить, предположив, что масса многочисленных реликтовых нейтрино составляет порядка 20 электронвольт. Ученые, выступившие с этой идеей, полагали, что массивные нейтрино скапливаются на периферии галактических скоплений и создают поля тяготения, необходимые для стабилизации звездных скоростей. Так впервые было высказано предположение, что темная материя может иметь небарионную природу, то есть состоять не из протонов и нейтронов. Впрочем, эта гипотеза не подтвердилась, поскольку со временем стало ясно, что масса всех трех разновидностей нейтрино не превышает десятых долей электронвольта.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Однако в 1978 году Джеймс Ганн и его соавторы предположили, что от Большого взрыва могли остаться гораздо более массивные стабильные частицы небарионной природы, которые и составляют темную материю. Подобно нейтрино, они электрически нейтральны и, следовательно, не могут излучать и поглощать фотоны — в противном случае их бы легко обнаружили. Через шесть лет было показано, что скопления подобных частиц могут формировать гравитационные колодцы, которые способствуют образованию галактик и стабилизируют скорости периферийных звезд. Эти частицы из-за большой массы уже на стадии рождения первых галактик (а фактически гораздо раньше) обязаны двигаться много медленнее света. Поэтому их называют холодными — в отличие от «горячих» нейтрино, движущихся почти что со скоростью света. Так к середине 1980-х годов возникла концепция холодной темной материи, которая доминирует до сих пор.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
С тех пор прошло тридцать лет — срок немалый. За это время теоретики придумали множество версий частиц темной материи (и не только холодной), а экспериментаторы сконструировали и опробовали различные детекторы, предназначенные для их регистрации. Однако воз и ныне там. Поиск бозона Хиггса занял в общей сложности 23 года (1989−2012), и проводился он на трех коллайдерах: LEP, Тэватроне и БАК. Темную материю с 1990 года ищут на десятке установок, но пока безуспешно.

Холодные кандидаты

Бозон Хиггса стал последней новооткрытой частицей, чье существование было предсказано на основе господствующей теории микромира — стандартной модели элементарных частиц. Частицы темной материи, если и существуют, этой теорией не описываются. В холодном варианте они должны быть нерелятивистскими, очень слабо взаимодействовать друг с другом и с обычной материей и никак (в крайнем случае почти) не взаимодействовать с фотонами. В то же время они должны создавать поля тяготения, как и частицы стандартной модели. Поэтому их называют слабовзаимодействующими массивными частицами, или вимпами (Weekly Interacting Massive Particles, WIMP).
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Как показывают модельные вычисления, вимпы могут быть в десятки или, что вероятней, в сотни и тысячи раз тяжелее протона. Не исключено, что их обнаружат если не на БАК, то на суперколлайдере нового поколения с суммарной энергией столкновений в 100 ТэВ (порядка 100?000 протонных масс), сооружение которого начнется после 2020 года.
Самые популярные претенденты на звание вимпов предложены на основе теории суперсимметрии. Она утверждает, что у каждой частицы стандартной модели есть так называемый суперпартнер (или суперпартнеры), чей спин на? отличается от ее собственного. Поэтому частицам с полуцелым спином, фермионам, соответствуют суперпартнеры с целым спином, бозоны, а суперпартнерами бозонов являются фермионы. Суперчастицы могут распадаться, но самая легкая из них обязана быть стабильной. Именно ее считают лучшим кандидатом на роль частицы темной материи и пытаются зарегистрировать в большинстве экспериментов. Из всех теоретически мыслимых версий такой частицы специалисты предпочитают нейтралино — квантовую смесь суперпартнеров фотона, Z-бозона и бозонов Хиггса.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Вимпы и виспы

История безуспешных поисков вимпов длинна и увлекательна, как хороший детективный роман, но мы ограничимся двумя событиями. В апреле 2013 года участники коллаборации CDMS сообщили о возможной регистрации трех столкновений вимпов с ядрами кремния в криогенном детекторе, установленном на глубине 700? м в старом руднике в Миннесоте. Всего через полгода эту информацию решительно опровергли члены группы LUX, работавшие с детектором на жидком ксеноне, собранном на глубине 1480? м в закрытой в 2002 году шахте Хоумстейк в Южной Дакоте. Их нулевой результат вообще ставит под сомнение существование легких вимпов с массами от 20 до 100 ГэВ, поскольку в этом диапазоне детектор проекта LUX по уровню чувствительности занимает первое место в мире. Сейчас готовится новый цикл измерений протяженностью в 300 суток, результатов которого ученые ждут с великим нетерпением. Эта же группа работает над созданием детектора LZ на 7 т ксенона, который может вступить в эксплуатацию в 2019 году.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Косвенный поиск темной материи обычно направлен на регистрацию гамма-квантов, которые могут родиться при столкновениях вимпов в дальнем космосе, внутри Солнца и даже в земных глубинах. Поскольку природа вимпов неизвестна, никто в точности не знает, что нужно искать и как интерпретировать полученные результаты. Во всяком случае конкретных ответов пока нет.
Отсутствие прогресса в поисках вимпов в последние годы повысило интерес к еще одному семейству кандидатов в темную материю, легким слабовзаимодействующим частицам — виспам (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Наибольшее внимание уделяют аксионам, которые в 1977 году изобрели Роберто Печчеи и Элен Квинн. Эти физики пытались разрешить довольно неприятную проблему теории сильных ядерных взаимодействий — квантовой хромодинамики. В ее основное уравнение не заложено сохранение CP-симметрии, которая осуществляет зеркальное отражение и меняет частицы на античастицы. Нарушение симметрии должно приводить к появлению у нейтрона дипольного электрического момента, чего не наблюдается в эксперименте. Печчеи и Квинн предложили красивую модель, снимающую это противоречие. Из нее вытекает существование легких стабильных частиц, которые не несут электрических зарядов, но в сильных магнитных полях индуцируют возникновение фотонов. Это и есть аксионы. Позднее космологи показали, что аксионы могут быть приемлемыми кандидатами в частицы темной материи.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Аксионы должны быть намного легче нейтрино — согласно теоретическим оценкам, их массы измеряются всего лишь миллионными долями электронвольта. Как ни странно, при этом они движутся с нерелятивистскими скоростями — это все еще «холодная» версия темной материи. Великое множество таких частиц могло родиться вскоре после Большого взрыва и обеспечить недостающую массу. Ищут их с начала 1990-х — и опять-таки безрезультатно.
Есть и другие версии темной материи — сверхтяжелые реликтовые частицы, реликтовые черные дыры, суперпартнеры аксионов (аксино) либо гравитонов (гравитино) и «зеркальная материя». Но это уже чистая экзотика.

Техника и деньги

«Для поиска темной материи созданы чрезвычайно эффективные детекторы разных типов, — говорит профессор Дэвид Клайн, организатор международной конференции Dark Matter 2014, которая прошла в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в феврале 2014 года. — Сейчас необходимо повышать их чувствительность, которая зависит от массы рабочего тела. Эксперимент группы LUX пока ничего не дал, но их установка содержит лишь 370 кг ксенона. А вот коллаборация DARWIN разрабатывает 25-тонный ксеноновый детектор. Наилучшие шансы, по моему мнению, имеют детекторы на сжиженных благородных газах — аргоне и ксеноне. Уже удалось увеличить их возможности на четыре-пять порядков, а в ближайшие годы можно ожидать скачка еще в три-четыре порядка. В этой области экспериментаторы опережают теоретиков».
В то же время поиск аксионов практически буксует. И дело не в технике, а в деньгах. Если аксион и существует, его можно зарегистрировать лишь в очень сильных магнитных полях, где он превращает виртуальные фотоны в реальные. Для этого отлично подошли бы 18-тесловые магниты, которые есть на рынке, а еще лучше — экспериментальные 32-тесловые. Они стоят больших денег, а их не так просто получить. Те, кто в США финансирует эту область физики, не слишком верят в существование аксионов, а в других странах ими практически и не занимаются. Сейчас в Университете Сиэтла готовится эксперимент ADMX, участники которого попытаются обнаружить аксионы с помощью сверхпроводящего магнита с напряженностью поля около 8 Тл. В таких полях от аксиона ожидаются чрезвычайно слабые сигналы, а их можно искать до бесконечности. «Так что здесь, — констатирует профессор Клайн, — скорых результатов не дождаться».
Дэвид Клайн полагает, что наилучший кандидат в частицы темной материи — это нейтралино с массой от 500 до 1000 ГэВ. Детектор LUX имеет пик чувствительности в районе 30 ГэВ, поэтому неудивительно, что он ничего не обнаружил. Однако в 2015 году вступит в строй детектор на 1−3??т ксенона, его шансы на успех уже повыше. А потом появятся и более мощные установки, за которыми будущее.
mak1Osim
mak1Osim 03 Ноября 2014, 12:11
Почему Вы решили, что нет влияния на атмосферу или Землю? Полно физических явлений, имеющих объяснение" так устроил бог" и разумно объесняемых с помощью эфирного ветра. А именно. "Ревущие" сороковые в южном полушарии. Отсутствие озонового слоя и возвышение поверхности на 400м. в северном полушарии. Постоянное увеличение объёма и массы Земли. Локальное появление природных ископаемых. В системе спутников GPS введены математические поправки (возникают существенные неточности в определении координат). В завершении позволю себе пару вопросов, раз уж вспомнили силу Кориолиса. Механизм возникновения?На основании чего возникает эта сила, "ЧТО" притягивает объект к краю вращающейся системы. Хотя можете сказать "и так всё ясно, поэтому заниматься этим не стоит." Не удивлюсь.
Petruchio
Petruchio 02 Ноября 2014, 10:11
А с чем связано система отсчета неподвижного эфира? С Солнцем, центом Галактики, скоплением Галактик, "центром Вселенной"??? То есть относительно чего эфир неподвижен?
Petruchio
Petruchio 02 Ноября 2014, 10:11
Ну если эфирный ветер существует и чем выше тем сильнее, почему он не "сдувает" нашу атмосферу, то есть не увлекает её за собой? Почему данный эфирный ветер на сносит спутники с орбиты? Отчего Луна не сошла с орбиты, а двигается точно согласно безэфирных расчётов? Кроме того, вы вспомните что такое сила Кориолиса...которая вносит ощутимые поправки в движении любой материи во вращающихся системах отсчёта, коей Земля является в классическом виде (вращение вокруг Солнца и вокруг своей оси)...!!!
mak1Osim
mak1Osim 27 Октября 2014, 03:10
Суть идеи. Земля движется в потоке (предположительно) неподвижного эфира. Соответственно, если зафиксировать приборами скорость эфирного ветра должно получится значение порядка 30км/сек. Чем и занялся Майкельсон при поддержке военного ведомства. (Нужна была единая система отсчета для наводки корабельных орудий.)
mak1Osim
mak1Osim 27 Октября 2014, 03:10
Вот выдержка из статьи "Не удовлетворившись результатами эксперимента 1881 г. и в связи с высокой чувствительностью интерферометра к вибрационным помехам, Майкельсон 1886–1887 гг. совместно с профессором Э.Морли продолжил работу, существенно усовершенствовав интерферометр и поместив его на поплавок, погруженный в ртутную ванну, чем избавился от влияния вибраций Результаты вновь были положительными, но они вновь не соответствовали ожидавшимся, так как давали значение скорости эфирного ветра, по крайне мере, в 10 раз меньшее. Возник вопрос о причинах такого несоответствия. В 1905 г. Э.Морли и Д.К.Миллером эксперименты были продолжены на Евклидовых высотах на высоте 250 м над уровнем моря. Результат был твердо зафиксирован: магнитуда эфирного ветра составила 3–3,5 км/с. Далее работы были продолжены профессором Д.К.Миллером, который потратил на проведение экспериментов около 40 лет, завершив их в 1925 г., доложив их в Вашингтонской академии наук и выпустив соответствующий отчет. "
Petruchio
Petruchio 25 Октября 2014, 14:10
Ну ни факт что это был именно эфир и вообще в 1925 году могли так накосячить, что поэтому в серьёз сейчас и не воспринимают! Суть эксперимента поясните, а также была ли повторяемость?
mak10sim
mak10sim 09 Октября 2014, 01:10
Можно не напрягаться. Нашли без нас. Причем почти 100 лет назад.(1921-1924). Обсерватория на Маунт Вилсон вблизи Пасадены в Калифорнии на высоте 6000 футов. Вот выдержка из доклада Д.К.Миллера сделанного в Вашингтонской академии наук в 1925 году. "Самые первые наблюдения, проделанные в марте 1921 г., дали положительный эффект, соответствующий реальному эфирному ветру, как если бы он был обусловлен относительным движением Земли и эфира со скоростью около 10 км/с." Правда, все ждали 30км/с поэтому не придали открытию большого значения.
Reoniks
Reoniks 14 Июня 2014, 13:06
Если применить сравнительный образ, то элементарные частицы являются компьютером, а поля, которыми они взаимодействуют - Интернет. От содержания Интернета и зависит успешная коммуникация между "компьютерами". Где-то есть Интернет-2, и это и есть то самое Темное поле.
Reoniks
Reoniks 14 Июня 2014, 13:06
А я думаю, что сам термин нужно изменить на "Темное поле". Современная квантовая физика все больше убеждается в том, что именно поля, а не сами элементарные частицы, является основой всего в видимой части Вселенной. Теория полей может многое объяснить.
xteoretegx
xteoretegx 11 Июня 2014, 10:06
Я бы тоже не дал им денег на эту ерунду. Лучше бы пересмотрели свои теории. это намного дешевле.
Загрузка статьи...