Аннигиляция темной материи что такое
Фред Адамс, Грег Лафлин
ПЯТЬ ВОЗРАСТОВ ВСЕЛЕННОЙ:
В глубинах физики вечности
Долгосрочная судьба Вселенной, в которой мы живем, всегда волновала наше воображение. Будучи астрофизиками, мы привыкли размышлять о возникновении и судьбе различных астрономических объектов: звезд, галактик, да и Вселенной в целом. На протяжении двадцатого века, и особенно за два последних десятилетия, физика, астрономия и космология сделали огромный скачок вперед, так что теперь мы понимаем нашу Вселенную так хорошо, как никогда ранее.
Космология занимается, главным образом, предысторией Вселенной, и это справедливо. Теория Большого взрыва вкупе с ее вариациями образует весьма успешную парадигму для описания зарождения Вселенной, а последние результаты астрономических наблюдений подводят под нее прочную научную основу. Законченность нашему детальному пониманию современной Вселенной придали параллельные достижения ученых в области звездной эволюции, образования звезд и галактик. А в последние годы «реестр» нашей Вселенной расширился благодаря открытию черных дыр, коричневых карликов и планет, вращающихся по орбитам других звезд.
И вот, располагая всей этой информацией, в конце 1995 года мы начали подробное научное исследование будущего Вселенной, включая звезды, галактики и прочие астрофизические объекты, живущие в ней. К этому исследованию нас подтолкнуло несколько событий, произошедших практически одновременно. Мы почувствовали, что пора вновь вернуться к этому вопросу. Несмотря на последние успехи в отношении истории Вселенной, ее будущему всегда уделялось достаточно мало внимания. Крупные статьи Мартина Риса, Джамала Ислама и Фримена Дайсона были опубликованы еще в шестидесятых-семидесятых годах двадцатого века, а в начале восьмидесятых годов увидели свет несколько работ, в которых описывались последствия распада протона. Однако значительные успехи, которых в последнее время добились физика и астрономия, открыли более обширную перспективу, позволяющую обстоятельно вглядеться в будущее. В прежних исследованиях авторы поднимали вопросы, главным образом, крупномасштабной космологии, уделяя мало внимания звездам и звездным объектам. До сих пор не просчитана долгосрочная эволюция звезд с самой низкой массой, которые живут гораздо дольше современного возраста нашей Вселенной. Воплощению этого проекта в жизнь весьма поспособствовал приезд в Мичиганский университет Лафлина, который решил поработать с Адамсом. С этого момента мы начали всматриваться в темноту вместе. Дополнительным стимулом послужил организованный Мичиганским университетом «тематический семестр» по вопросу «Смерть, вымирание и будущее человечества». По этому случаю Адамс написал новый курс о долгосрочном будущем Вселенной. Относительная скудность справочного материала стала еще одним стимулом к изучению отдаленного будущего нашей Вселенной.
Результаты нашего исходного исследования были опубликованы в виде обзорной статьи в журнале Reviews of Modern Physics в 1997 году с одобрения сэра Мартина Риса, редактора этого журнала и Королевского астронома Англии. По завершении научной рукописи живой интерес к данному вопросу выказали средства массовой информации, а спрос на публичные лекции оказался удивительно высоким. Такой неожиданный интерес общественности заставил нас подумать о популярном изложении данной темы, результатом которого и стала эта книга.
Наша книга отличается от многих ей подобных тем, что она знакомит читателя с достаточно большим количеством нового научного материала. В процессе написания этой рукописи мы часто сталкивались с ранее неизученными научными проблемами. Например, что будет, если маленький красный карлик войдет в нашу Солнечную систему и нарушит орбиты планет? Может ли такая звезда захватить Землю? Какова вероятность того, что это произойдет прежде, чем умрет наше Солнце? Чтобы ответить на эти и другие вопросы такого рода, мы просто по мере необходимости выполняли требующиеся вычисления. Поэтому наша книга содержит результаты новых, ранее неопубликованных, вычислений и прочие научные соображения. Таким образом, на сегодняшний день это самая полная и подробная трактовка будущего.
Любое описание будущей Вселенной непременно содержит спекулятивные элементы. В рамках данной книги мы отталкиваемся от современного понимания законов физики и астрофизики и производим экстраполяцию вперед, пытаясь представить Вселенную будущего. Однако по мере продвижения во мрак, которым покрыто наше будущее, наша экстраполяция утрачивает фокус. На этом пути мы обязаны учесть такие эффекты физических и астрономических процессов, которые еще только изучаются. В частности, большая часть этой книги описывает будущую космологию вечно расширяющейся Вселенной: о том, что Вселенная расширяется, свидетельствуют современные результаты астрономических наблюдений. И все же для полноты изложения мы включили краткое обсуждение Вселенной, переживающей повторное сжатие. Кроме того, мы открыто допускаем, что, рано или поздно, произойдут и распад протона, и испарение черных дыр, открытое Хокингом. Несмотря на то, что оба этих долгосрочных процесса в общих чертах предсказаны физиками-теоретиками, они пока не получили экспериментального подтверждения.
Практически все, что мы обсуждаем в этой книге, основано на одном дополнительном догмате нашей веры. Мы полагаем, что законы физики останутся такими же и не изменятся с течением времени, по крайней мере до завершения временной шкалы нашей летописи. И хотя мы не располагаем абсолютной гарантией справедливости этого допущения, мы не видим и веской причины сомневаться в нем. Многочисленные свидетельства говорят о том, что до сих пор в истории Вселенной физические законы носили замечательно постоянный характер, и на сегодняшний день нет никаких указаний на то, что данная тенденция изменится. К примеру, исследования молодой Вселенной в контексте теории Большого взрыва убедительно доказывают, что законы физики, описывающие природу, достаточно хорошо поняты и оставались неизменными с очень давних времен до настоящего момента. Принимая неизменность физических законов и в будущем, мы подразумеваем сами законы, а не понимание их нами. Более полное понимание физики почти наверняка приведет к изменениям, большим и малым, в представленной здесь картине будущего.
Эта книга рассказывает историю нашей Вселенной от ее сингулярного зарождения в Большом взрыве до разрозненного перехода в отдаленное будущее. Знаками препинания в этом сказании являются звездные взрывы, столкновения и великое множество других астрофизических катастроф. На первый взгляд, бесконечное разрушение Вселенной может показаться унылой или гнетущей перспективой. Однако мы считаем, что постоянно меняющиеся характеристики Вселенной дают нам гораздо большую перспективу — более обширный взгляд на космос и наше место в нем. Мы надеемся, что наши читатели обретут лучшее понимание истории нашей Вселенной: что она содержит, как работает и что с ней может произойти в будущем. Оттолкнувшись от такой расширенной системы отсчета, можно обрести гораздо более полное понимание наших «повседневных» взаимодействий с уютной Вселенной нынешней эпохи.
Обнаружена возможная сигнатура аннигиляции темной материи
Мы живем в эпоху великих астрофизических открытий. Прорывные открытия — экзопланеты, гравитационные волны сливающихся черных дыр, расширение Вселенной — появляются каждую неделю или даже чаще. Но нет открытия, которого ждали бы больше, которое могло бы сравниться с другим по глубине и загадочности, чем разоблачение преобладающего большинства материи, которую нельзя увидеть в нашем мире напрямую. Эта материя темная, и ее природа неизвестна.
По последним данным спутника Планка, по меньшей мере 4,9% Вселенной состоит из обычной материи (то есть из материи, которая состоит из атомов или их составляющих). Остальное приходится на темную материю, которую мы можем определить лишь по ее гравитационному влиянию на звезды и другую обычную материю. Темная энергия — отдельный компонент.
Понимание этого вездесущего, но загадочного вещества — главная цель современной астрофизики. Некоторые астрономы полагают, что темная материя может разделять еще одно свойство, помимо гравитационного, с обычной материей: она может быть двух видов, материя и антиматерия, которые аннигилируют и испускают высокоэнергетическое излучение при контакте. Ведущим кандидатом частиц в этой категории являются слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимпы (WIMP). Если темная материя аннигилирует, диапазон вариантов теоретического характера темной материи будет значительно сужен.
Астроном CfA Дуг Финкбейнер и его коллеги утверждают, что выявили именно такую сигнатуру аннигиляции темной материи. Они изучали пространственное распределение гамма-излучения в Млечном Пути, в частности гамма-лучевые выбросы в области галактического центра. Эта область относительно недалека от нас и обладает высокой плотностью материи (и темной материи, конечно). Если произойдет аннигиляция темной материи, эта область должна подсветиться в гамма-лучах. И действительно, была обнаружена мощная гамма-лучевая сигнатура из этой области, которая растянулась на сотни световых лет. Могут быть и другие объяснения: например, гамма-лучи были порождены крупной популяцией быстро вращающихся пульсаров, ядерных останков сверхновых.
Астрономы не нашли следов аннигиляции темной материи после 413 недель наблюдений
Галактика NGC 4696, которую ученые включили в свой анализ
X-ray: NASA/CXC/MPE/J.Sanders et al.; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA
Американские ученые исследовали гамма-излучение 495 галактик из каталогов T15 и T17, которое телескоп Ферми регистрировал в течение восьми лет. Ученые снова не нашли следов аннигиляции частиц темной материи, но установили ограничение на сечение процесса и проверили результаты предыдущей работы, в которой рассматривались только карликовые сфероидальные галактики. Статья опубликована в Physical Review Letters, одновременно более подробная версия работы вышла в Physical Review D.
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, которые способны засечь едва уловимое столкновение частиц обычной и темной материи, следят за «невидимыми» распадами частиц, ищут на коллайдерах следы гипотетических темных фотонов — однако до сих пор никаких следов темной материи зарегистрировано не было. Точнее, все эти эксперименты позволили установить очень сильные ограничения на сечения самых разных процессов, предполагающих превращение частиц темной материи в частицы Стандартной модели. Например, ограничение на сечение рассеяния частиц с массами от одного до тысячи гигаэлектронвольт на нуклонах составляет около 10 −45 квадратных сантиметров. Эти неудачи заставляют экспериментаторов все сильнее повышать точность детекторов и разрабатывать альтернативные способы поиска темной материи, а некоторые теоретики пытаются объяснить отсутствие результатов новой силой, которая отталкивает темную материю от Земли.
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, а потом зарегистрировать с помощью современных телескопов.
Группа ученых под руководством Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) использовала этот гипотетический процесс для поиска темной материи. Для этого они рассчитали на основании существующих теоретических моделей поток фотонов, рождающихся при аннигиляции частиц темной материи — в основном он определяется сечением процесса и массой частиц, а также распределением материи внутри гало. Затем 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.
Сначала ученые отобрали около тысячи галактик из каталогов T15 и T17 (красное смещение z ≲ 0,03, масса гало не менее 10 12 масс Солнца), но около половины из них оказались непригодны для дальнейшего анализа. Так, 276 галактик располагались на небольшом расстоянии от галактической плоскости, и надежному распознаванию мешало излучение Млечного Пути. Еще 134 галактики находились слишком близко друг к другу — ученые считали, что сигнал можно приписать определенной галактике только в том случае, если в диапазоне двух градусов от нее нет других массивных объектов. Наконец, исследователи отбросили еще 95 галактик, поскольку сечения, рассчитанные на основании их данных, слишком сильно отклонялись от среднего — более чем на девять порядков для каждого значения массы частиц темной материи. Скорее всего, в этих случаях источником фотонов выступала не аннигиляция темной материи, а другие астрофизические процессы.
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. Так, сечение аннигиляции частиц с массой около ста гиагаэлектронвольт не превышает 10 −25 сантиметров кубических на секунду.
Зависимость наибольшего возможного сечения аннигиляции частиц темной материи от их массы (слева). Серым показан результат предыдущей статьи, рассматривавшей карликовые сфероидальные галактики. Уточнение величины предельного сечения при включении в рассмотрение все большего массива данных (справа).
Обнаружены признаки аннигиляции темной материи
Новости партнеров
Согласно последним исследованиям астрономического спутника Европейского космического агентства «Планк» Вселенная состоит всего лишь на 4,9% из обычного вещества, остальное – темная материя, которую мы не можем увидеть, но она проявляет себя в гравитационном воздействии на звезды и другие космические объекты.
Понимание природы и сущности этой загадочной субстанции является одной из главных задач современной астрофизики. Некоторые астрономы считают, что темная материя может иметь ещё одно общее с нормальной материей свойство, кроме способности к гравитационному взаимодействию: она может существовать в двух формах – материи и антиматерии – которые аннигилируют и испускают излучение высокой энергии при взаимодействии. Основным классом частиц темной материи считаются так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particles, WIMPS). Если аннигиляция темной материи действительно имеет место в природе, это значительно сужает круг возможных источников происхождения этой таинственной субстанции.
Даг Финкбейнер из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и его коллеги утверждают, что смогли обнаружить следы аннигиляции темной материи. Они изучили пространственное распределение гамма-излучения в Млечном пути, в частности, излучения, исходящего из галактического центра. Эта область является относительно близкой к нам и обладает высокой плотностью обычной и темной материи. Ученые считают, что мощный поток гамма-лучей из этого региона, простирающийся на сотни световых лет, может свидетельствовать об аннигиляции темной материи. Хотя, этому возможны и другие объяснения, например, что гамма-лучи являются результатом большого скопления в этой области быстровращающихся пульсаров.
Ученые пересмотрели множество ранее опубликованных гамма-наблюдений, применяя новые методы обработки данных, и смогли точнее разграничить местоположения выбросов. Оказалось, что пульсары имеют характерное пространственное распределение: в основном они расположены в плоскости галактики. Расчеты указали на то, что аномальное распределение гамма-излучения в галактическом центре Млечного пути с высокой степенью вероятности соответствует предсказаниям модели аннигиляции темной материи, и в малой степени согласуется с пульсарами. В случая подтверждения результатов это станет впечатляющим прорывом в понимании природы темной материи.
Темная материя: что это такое, как мы узнаем, что она есть, и найдем ли мы ее?
Смоделированный вид распределения темной материи в нашей Вселенной
Это звучит как научная фантастика, чтобы сказать, что есть невидимые, необнаружимые вещи вокруг нас, и что у него есть жуткое название темной материи. Но есть много доказательств того, что этот материал очень реален. Так что же такое темная материя? Откуда мы знаем, что оно там? И как ученые его ищут?
Все, что мы видим вокруг – от растений до планет, от камней до звезд, от людей до скопления галактик Персея – состоит из материи. Но все это составляет лишь около 15 процентов от общего количества материи во Вселенной. Подавляющее большинство, то есть оставшиеся 85 процентов, не учитываются – и мы называем это темной материей.
Во всем мире предпринимаются огромные усилия, чтобы попытаться раскрыть, что же на самом деле представляет собой темная материя, но возникает естественный вопрос: если мы не можем ее увидеть, почувствовать, услышать, понюхать или попробовать на вкус, как мы узнаем, что она вообще существует?
Откуда мы знаем, что темная материя существует?
Все, что имеет массу, имеет гравитационное притяжение, и чем больше массы что-то имеет, тем сильнее становится эта сила. Но астрономы постоянно видят, что крупномасштабные объекты, такие как галактики и скопления, ведут себя так, как будто они имеют гораздо большую массу, чем то, что видно.
Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки был первым, кто предложил идею темной материи в 1933 году. Он изучал скопление галактик и обнаружил несоответствие: похоже, что их массы не хватает, чтобы объяснить, как быстро движутся эти галактики.
Открытие Цвики было только первым примером явно пропавшей массы. В конце 1970-х астрономы Вера Рубин и Кент Форд наблюдали за нашей соседней галактикой, Андромедой. Дуэт ожидал увидеть объекты на окраинах галактики, вращающиеся медленнее, чем те, что ближе к центру, но это было не так: вместо этого относительные скорости имели тенденцию выравниваться, а объекты на окраинах вращались гораздо быстрее, чем должна была позволить видимая масса.
Еще одним убедительным доказательством является гравитационное линзирование. Поскольку световые лучи искажаются гравитационными полями, огромные массы могут изгибать свет, проходящий мимо более удаленных объектов, и делать эти объекты более крупными или яркими, как космическое увеличительное стекло. В других случаях он может дублировать изображение объекта или даже «воспроизводить» такие события, как сверхновые. Опять же, это линзирование часто происходит сильнее, чем это должно быть возможно из видимой массы объекта в середине.
Темная история вселенной
Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру вселенной, которую мы видим сегодня.
В первые дни существования Вселенной все было относительно гладко. Мы можем видеть это сегодня на фоне космического микроволнового излучения, которое является излучением, которое было создано приблизительно через 400 000 лет после Большого взрыва. Независимо от того, в каком направлении мы смотрим, это излучение выглядит одинаково.
Так как же эволюционировала Вселенная от супергладких до комковатых скоплений? Это влияние темной материи.
Даже в спокойные ранние дни существования Вселенной в некоторых областях было чуть больше темной материи, чем в других. Эта дополнительная масса означала большую гравитацию, поэтому эти более плотные области притягивали регулярную материю, которая, в свою очередь, притягивала все больше и больше. В конечном счете жара и давление заставили эти очаги материи воспламениться как звезды, что дало толчок образованию планетных систем, галактик и кластеров, которые мы видим сегодня.
Тот факт, что вселенная структурирована так, как она есть, является еще одним свидетельством темной материи. Так что мы знаем, что она там. Но что именно это такое? И как ученые ее ищут?
Охота за темной материей
Эксперимент ABRACADABRA не обнаружил сигналов аксионов с массами от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт
Нелегко искать что-то невидимое и редко взаимодействующее с обычной материей. Итак, ученые начинают с теоретизирования того, что может быть темной материей, а затем разрабатывают и проводят эксперименты для проверки каждой гипотезы. Проблема в том, что темная материя может быть чем угодно.
Частицы темной материи могут быть одними из самых легких во Вселенной, или же они могут иметь массу карликовой планеты, или где угодно между ними. Темная материя может быть «горячей» или «холодной», что не имеет ничего общего с температурой, но описывает, как быстро она движется. Она может существовать в возбужденных состояниях, или иметь более низкую энергию.
Может ли ЦЕРН создать темную материю?
3D-рендеринг Большого адронного коллайдера
Различные типы экспериментов охотятся за различными теоретическими частицами темной материи. Пожалуй, самые известные эксперименты проводятся церном на Большом адронном коллайдере (LHC). Там ученые ищут темную материю, пытаясь создать ее.
В LHC протоны сталкиваются с чрезвычайно высокими энергиями, создавая поток других частиц. Иногда это экзотические частицы, к которым ученые обычно не имеют доступа, и есть надежда, что темная материя может быть среди них.
Опять же, если бы темная материя была произведена в одном из этих столкновений, было бы невозможно непосредственно обнаружить – вместо этого она просто выплыла бы из туннеля, не взаимодействуя с детектором. Но именно это необнаружение и ищут ученые.
Хотя LHC совершил квадриллионы этих столкновений за эти годы, до сих пор не было обнаружено никаких подозрительных сигналов темной материи. Но это помогает сузить широкий спектр возможностей, поэтому будущие поиски могут быть более целенаправленными.
Возможно, ответ, наконец, придет после того, как в 2026 году модернизация LHC будет завершена.
Прямое обнаружение темной материи
В то время как LHC ищет в одной части спектра возможностей, другие эксперименты пытаются обнаружить его по-разному. Эти исследования основываются на возможности того, что темная материя иногда может взаимодействовать с обычной материей другими способами, кроме гравитации.
Эта базовая концепция была реализована в различных экспериментах по всему миру. Детекторы обычно размещаются в глубоких подземных камерах, вдали от помех, таких как космические лучи или электромагнитные сигналы. И все они ищут различные гипотетические частицы темной материи, используя в качестве детектора различные вещества.
В экспериментах типа LUX и XENON1T использовались огромные емкости с ксеноном, чтобы попытаться обнаружить кандидата темной материи, известного как слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP). Идея заключается в том, что когда эти теоретические WIMP сталкиваются с атомом ксенона в резервуаре, они испускают вспышку света, которую могут обнаружить инструменты.
Другое предложение будет использовать вместо этого сверхтекучий гелий. Логика заключается в том, что гелий имеет гораздо более легкое атомное ядро, чем ксенон, поэтому он должен быть более чувствительным к удару темной материи. Это означает, что он может собирать частицы темной материи, которые в 10 000 раз легче, чем другие эксперименты.
В других экспериментах все происходит совершенно по-другому.
Представление камеры радиообнаружения аксионов.
Одним из ведущих кандидатов на роль темной материи является гипотетическая частица, называемая аксионом. Если бы они существовали, то были бы электрически нейтральными, очень легкими и дрейфовали бы повсюду волнами. Но самое главное, они должны иметь крошечные, но обнаруживаемые взаимодействия с электричеством и магнетизмом – и именно так они могут проявляться.
Эксперимент ABRACADABRA предназначен для поиска магнитного отпечатка аксионами. Идея состоит в том, что из-за того, как работают электромагнитные поля, в самом центре кольцевого магнита не должно быть магнитного поля. Так что, если вы установите его и посмотрите на середину, аксион может заявить о себе, если там возникнет самопроизвольное магнитное поле.
В похожей идее ученые из Стокгольмского университета предложили устройство, которое они называют «Аксион-радио». Детектор также использует мощный магнит, но в центре находится камера, заполненная холодной плазмой, которая содержит лес ультратонких проводов. На этот раз любые аксионы, проходящие через него, создадут небольшое электрическое поле, которое приведет к колебаниям в плазме.
Эксперимент nEDM ищет аксионы по-другому. Здесь нейтроны захватываются и электризуются, затем их спин контролируется. Высокое напряжение должно влиять на их скорость спина на определенной частоте – и если эта частота будет видна, что изменяется с течением времени, это может быть признаком аксионной интерференции.
Нулевые результаты не являются недействительными
Охота на темную материю продолжается
Каждый тест ищет кандидатов на темную материю в определенном диапазоне масс и с определенными свойствами, и по мере того, как мы вычеркиваем их из списка, мы все больше приближаемся к истине. И это помогает тому, что многие эксперименты получают обновления в будущем, которые сделают их еще более чувствительными.
Тем временем, часто предлагаются совершенно новые идеи. В последние годы ученые предположили, что темная материя может принимать форму сверхтяжелых гравитино, гексакварков d-star или даже «темной жидкости» с отрицательной массой, пронизывающей Вселенную.
Или, конечно, возможно, это просто математическое недоразумение, и какая-то невидимая и неизвестная сила создает эти странные гравитационные эффекты. Что бы это ни было, охота на темную материю далека от завершения.