Содержание
Темная материя
Игорь Сокальский,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №11, 2006
Невидимые действующие лица и их предполагаемые исполнители
В предыдущих статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.
Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.
Козьма Прутков
Что будет с нашим миром?
После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.
Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10–29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр.
Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 1030 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.
Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества.
В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.
Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.
Свидетельства существования темной материи
Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра.
Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.
О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу.
И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.
Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем.
Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.
Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва.
Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.
Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней.
В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10–29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.
Что это?
Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше.
А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.
Барионная темная материя
Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо.
Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.
Небарионная темная материя
В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.
Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть.
При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.
Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.
Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс2, энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.
Темная энергия
В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой.
Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.
Откуда не ждали: тёмная материя наконец открыта?
21 сентября 2020
17:53
Анатолий Глянцев
Внутриатомные процессы могут стать ключом к загадке тёмной материи.
Иллюстрация Pixabay
Возможно, нейтрон в ядре испускает тёмные бозоны, которые воздействуют на электроны.
Иллюстрация J. Hur/Massachusetts Institute of Technology.
Учёные обнаружили, что атомы иттербия ведут себя неожиданным образом. Это может оказаться долгожданным открытием тёмной материи и выходом на просторы новой физики. Впрочем, возможны и более прозаические объяснения.
Учёные обнаружили, что атомы иттербия ведут себя неожиданным образом. Это может оказаться долгожданным открытием тёмной материи и выходом на просторы новой физики. Впрочем, есть и более прозаические версии объяснения.
Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Напомним, что Стандартная модель физики элементарных частиц прекрасно объясняет результаты всех проведённых физических экспериментов. Но исследователи давно мечтают открыть эффект, который не укладывался бы в эту увенчанную лаврами теорию и потребовал бы создания новой физики.
Интересно, что такой эффект, похоже, давным-давно открыли астрономы. Речь идёт о тёмной материи – неизвестном веществе, которое проявляет себя только благодаря гравитации. Большинство экспертов склоняется к мысли, что тёмная материя по большей части состоит из ещё не открытых физиками-экспериментаторами частиц, не предусмотренных Стандартной моделью.
Эти частицы, говорят исследователи, крайне редко или крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом. Именно поэтому огромные детекторы, специально созданные для их «поимки», пока не осчастливили человечество долгожданным открытием.
Вместе с тем некоторые эксперты полагают, что не входящие в Стандартную модель частицы можно обнаружить, если внимательнее присмотреться к давно известным процессам.
Например, к тому, как атом излучает фотоны.
Когда электрон в атоме переходит с одного энергетического уровня на другой, более низкий, он испускает фотон. При этом энергия этого фотона равна разнице между начальным и конечным энергетическими уровнями.
Для лучшего понимания сравним электрон в атоме с канарейкой в клетке, которая спрыгивает с верхней жёрдочки на более низкую, издавая при этом краткую трель. Высота звука этой песни будет зависеть от расстояния между жёрдочками.
Но у разных изотопов одного и того же химического элемента энергии уровней несколько разнятся. То есть в синей железной клетке и в красной железной клетке расстояние между жёрдочками будет немного отличаться.
Это давно изученный эффект, и Стандартная модель даёт по его поводу совершенно конкретный прогноз. Состоит он в том, что график, который называется диаграммой Кинга, должен быть практически идеальной прямой линией. (Вести.Ru весьма подробно рассказывали – как говорится, по полочкам разложили – что это за график, что и с чем он связывает.
) Отклонения от прямой, если они и есть, должны быть чрезвычайно малыми. Неудивительно, что их никто ещё не обнаруживал.
Теперь физики из Австралии, США и Южной Кореи построили диаграмму Кинга для ионов пяти изотопов иттербия… и обнаружили отклонения от прямой.
Правда, статистическая значимость этого результата не очень высока по меркам физиков: три сигмы. Это значит, что с вероятностью 0,3% открытие может оказаться ложной тревогой, случайным наложением шумов. Это небольшой шанс, но, когда речь идёт о переписывании фундаментальных законов, учёные становятся очень придирчивыми. Стандартом для признания открытия является отметка в пять сигм, когда вероятность ложноположительного результата меньше 0,0001%.
Возможно, нейтрон в ядре испускает тёмные бозоны, которые воздействуют на электроны.
Иллюстрация J. Hur/Massachusetts Institute of Technology.
Допустим, что это отклонение от прогнозов всё-таки не ошибка эксперимента, Тогда как его объяснить?
Возможно, это открытие нового эффекта, который всё же укладывается в рамки Стандартной модели, являясь тем самым малым отклонением, о возможности которого теоретики предупреждали экспериментаторов.
Но есть и более заманчивые варианты.
Например, эффект может объясняться рождением в ядре атома тёмного бозона. То есть гипотетической частицы тёмной материи, которая не входит в Стандартную модель. Как предполагают учёные, этот тёмный бозон может воздействовать на электрон в атоме, изменив его энергию.
Если эта интерпретация верна, то перед нами двойное эпохальное открытие: обнаружение частицы, не предсказанной Стандартной моделью, и объяснение природы тёмной материи.
Но пока об этом говорить рано. Прежде всего потому, что результат всё ещё может оказаться случайной ошибкой.
Кстати, другая команда физиков, также опубликовавшая свои выводы в Physical Review Letters, строила диаграмму Кинга для ионов пяти изотопов кальция. И никакого отклонения графика от прямой линии не нашла.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о других дразнящих намёках на открытие Новой физики. Их приносят детекторы тёмной материи, ускорители и детекторы частиц, прошивающих Землю насквозь.
наука
физика
темная материя
элементарная частица
новая физика
новости
Эти физики выступают за новую теорию гравитации
10 июля 2022 г.
Темная материя была предложена для объяснения того, почему звезды на дальнем краю галактики могут двигаться намного быстрее, чем предсказывал Ньютон. Альтернативная теория гравитации может быть лучшим объяснением.
Используя законы физики Ньютона, мы можем довольно точно моделировать движение планет Солнечной системы. Однако в начале 19В 70-х годах ученые обнаружили, что для дисковых галактик это не работает — звезды на их внешних краях, далекие от гравитационной силы всей материи в их центре, — двигались гораздо быстрее, чем предсказывала теория Ньютона.
В результате физики предположили, что невидимая субстанция, называемая «темной материей», обеспечивает дополнительное гравитационное притяжение, заставляющее звезды ускоряться — теория, которая получила широкое признание.
Однако в недавнем обзоре мы с коллегами предположили, что наблюдения в широком диапазоне масштабов гораздо лучше объясняются альтернативной теорией гравитации, называемой динамикой Милгрома или Монда, которая не требует невидимой материи. Впервые он был предложен израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1982.
Основной постулат Монда состоит в том, что когда гравитация становится очень слабой, как это происходит вблизи края галактик, она начинает вести себя иначе, чем в ньютоновской физике. Таким образом, можно объяснить, почему звезды, планеты и газ на окраинах более 150 галактик вращаются быстрее, чем ожидалось, основываясь только на их видимой массе. Однако Монд не просто объясняет таких кривых вращения, во многих случаях он предсказывает их.
Философы науки утверждают, что эта сила предсказания делает Монда превосходящим стандартную космологическую модель, которая предполагает, что во Вселенной темной материи больше, чем видимой материи. Это связано с тем, что, согласно этой модели, количество темной материи в галактиках весьма неопределенно и зависит от деталей формирования галактики, которые мы не всегда знаем.
Это делает невозможным предсказать, как быстро должны вращаться галактики. Но такие прогнозы регулярно делаются с Мондом, и пока они подтверждаются.
Представьте, что мы знаем распределение видимой массы в галактике, но еще не знаем скорость ее вращения. В стандартной космологической модели можно было бы только с некоторой уверенностью сказать, что скорость вращения будет между 100 и 300 км/с на окраинах. Монд делает более определенный прогноз, что скорость вращения должна быть в пределах 180-190 км/с.
Если позже наблюдения выявят скорость вращения 188 км/с, то это согласуется с обеими теориями, но очевидно, что Mond предпочтительнее. Это современная версия бритвы Оккама — самое простое решение предпочтительнее более сложного, в данном случае мы должны объяснять наблюдения как можно меньшим количеством «свободных параметров». Свободные параметры — это константы — определенные числа, которые мы должны подставить в уравнения, чтобы они заработали. Но они не даны самой теорией — нет причин, по которым они должны иметь какую-то особую ценность, — поэтому мы должны измерять их наблюдательно.
Примером может служить гравитационная постоянная G в теории гравитации Ньютона или количество темной материи в галактиках в рамках стандартной космологической модели.
Мы ввели понятие, известное как «теоретическая гибкость», чтобы уловить основную идею бритвы Оккама о том, что теория с большим количеством свободных параметров согласуется с более широким диапазоном данных, что делает ее более сложной. В нашем обзоре мы использовали эту концепцию при проверке стандартной космологической модели и Монда на различных астрономических наблюдениях, таких как вращение галактик и движения внутри скоплений галактик.
Каждый раз мы давали теоретическую оценку гибкости от –2 до +2. Оценка –2 указывает на то, что модель делает четкий и точный прогноз без просмотра данных. И наоборот, +2 означает, что «все допустимо» — теоретики смогли бы подобрать почти любой правдоподобный результат наблюдений (потому что существует так много свободных параметров). Мы также оценили, насколько хорошо каждая модель соответствует наблюдениям: +2 указывает на отличное согласие, а –2 зарезервировано для наблюдений, которые ясно показывают, что теория ошибочна.
Затем мы вычитаем теоретическую оценку гибкости из оценки согласованности с наблюдениями, поскольку хорошее сопоставление данных — это хорошо, а возможность согласования чего угодно — это плохо.
Хорошая теория должна делать четкие предсказания, которые впоследствии подтверждаются, в идеале получая совокупный балл +4 во многих различных тестах (+2 -(-2) = +4). Плохая теория получит оценку от 0 до -4 (-2 — (+2) = -4). В этом случае точные предсказания не сработают — они вряд ли сработают с неправильной физикой.
Мы нашли средний балл для стандартной космологической модели -0,25 по 32 тестам, в то время как Монд получил в среднем +1,69 по 29 тестам. Баллы для каждой теории во многих различных тестах показаны на рисунках 1 и 2 ниже для стандартной космологической модели и модели Монда соответственно.
Рисунок 1. Сравнение стандартной космологической модели с наблюдениями, основанное на том, насколько данные соответствуют теории (улучшаются снизу вверх) и насколько она гибка при подгонке (возрастает слева направо).
Пустой круг не учитывается в нашей оценке, так как эти данные использовались для установки свободных параметров. Воспроизведено из таблицы 3 нашего обзора. Фото: Arxiv
Рисунок 2. Аналогично рисунку 1, но для Монда с гипотетическими частицами, которые взаимодействуют только посредством гравитации, называемыми стерильными нейтрино. Обратите внимание на отсутствие явных фальсификаций. Воспроизведено из таблицы 4 нашего обзора. 1 кредит0003
Сразу видно, что для Mond не было выявлено серьезных проблем, что, по крайней мере, правдоподобно согласуется со всеми данными (обратите внимание, что две нижние строки, обозначающие фальсификации, пусты на рис. 2).
Проблемы с темной материей
Одна из самых поразительных ошибок стандартной космологической модели связана с «галактическими перемычками» — яркими стержнеобразными областями, состоящими из звезд, — которые спиральные галактики часто имеют в своих центральных областях (см. первое изображение).
. Бары вращаются с течением времени. Если бы галактики были окружены массивными ореолами темной материи, их перемычки замедлились бы. Однако большинство, если не все, наблюдаемые полосы галактик быстрые. Это очень достоверно опровергает стандартную космологическую модель.
Другая проблема заключается в том, что первоначальные модели, которые предполагали, что галактики имеют ореолы темной материи, допустили большую ошибку — они предполагали, что частицы темной материи обеспечивают гравитацию материи вокруг нее, но не подвержены гравитационному притяжению обычной материи. Это упростило расчеты, но не отражает реальности. Когда это было принято во внимание в последующих симуляциях, стало ясно, что ореолы темной материи вокруг галактик не могут достоверно объяснить их свойства.
Есть много других недостатков стандартной космологической модели, которые мы исследовали в нашем обзоре, и Монд часто мог естественным образом объяснить наблюдения. Причина, по которой стандартная космологическая модель, тем не менее, так популярна, может быть связана с вычислительными ошибками или ограниченными знаниями о ее недостатках, некоторые из которых были обнаружены совсем недавно.
Это также может быть связано с нежеланием людей корректировать теорию гравитации, которая оказалась столь успешной во многих других областях физики.
Огромный отрыв Монда от стандартной космологической модели в нашем исследовании привел нас к заключению, что имеющиеся наблюдения сильно благоприятствуют Монду. Хотя мы не утверждаем, что Монд идеален, мы все же думаем, что он дает правильную общую картину — галактикам действительно не хватает темной материи.
Автор: Индранил Баник, научный сотрудник астрофизики Университета Сент-Эндрюс.
Эта статья была впервые опубликована в The Conversation.
Ссылка: «От галактических перемычек к напряжению Хаббла: взвешивание астрофизических свидетельств гравитации Милгрома 9»0055, Индранил Баник и Хуншэн Чжао, 27 июня 2022 г., Симметрия .
DOI: 10.3390/sym14071331
Является ли темная материя особым состоянием эфира?
Статья Автор: Давид Зарески
Аннотация
В наших предыдущих публикациях мы показали, что эфир является упругой средой, поле относительного смещения ее точек которой определяется уравнением упругости Навье-Стокса-Дюрана, уравнением уравнением неразрывности и дополнительным уравнением, называемым уравнением дивергенции, и рассмотрен случай, когда .
Тогда оказывается, что плотность эфира есть константа свободного эфира, и что эти уравнения дают: поля и строения частиц, спин электрона, «сильное ядерное взаимодействие», квантовую механику, и что тензор электромагнитного потенциала равен Ньютоновское приближение фундаментального тензора Эйнштейна. В настоящей работе мы считаем, что среде подчиняется плотность безвихревых сил f, откуда следует, что . Оказывается, что при определенных значениях f плотность эфира больше , это означает, что скорость частицы данной энергии больше, а скорость света меньше, чем она была бы в свободном эфире. Мы считаем, что эта частица является звездой в галактике. Следовательно, область эфира, в которой можно считать состоящей из «темной материи», поскольку темная материя определяется тем фактом, что скорость звезды данной полной энергии больше, чем была бы скорость этой звезды той же самой полная энергия эфира, свободного от темной материи. Этот факт проявляется в скорости вращения внешней части некоторых галактик.