![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeПро темную материю я рассказывал. Например, здесь: https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7483.html
Это, если говорить просто - неизвестно что, которое состоит неизвестно из чего и имеет массу, в шесть раз большую, чем масса всей видимой материи Вселенной. В результате движением и расположением всей видимой (барионной) материи в крупных масштабах (начиная от галактического) управляет гравитация темной материи - именно она "собирается" в галактики, их скопления, сверхскопления и филаменты, и видимая материя лишь следует за ней - как пена на поверхности воды. Основное свойство темной материи - она не взаимодействует с электромагнитным излучением, сама его не испускает и поэтому не обнаруживается нормальными методами.
Характер и состав темной материи неизвестны. По некоторым данным, она неоднородна - в мире, скорее всего, есть "горячая" темная материя, состоящая из ненаблюдаемых частиц, движущихся со световой или околосветовой скоростью, и "холодная" темная материя, состоящая из массивных "медленных" частиц.
Как говаривал Кристофер Робин, "по-моему, где-то есть Восточный Полюс и Западный Полюс, хотя люди почему-то не любят говорить о них", в смысле, судя по некоторым данным, на свете есть еще и "теплая" темная материя, состоящая из частиц, имеющих скорости от десяти до девяноста процентов скорости света, но это пока сугубо гипотетическое представление.
О том, из чего же состоит темная материя, говорят давно и много. Роль горячей темной материи примеряют к нейтрино, но тут имеются серьезные неувязки. Во-первых, непонятно, откуда их могло взяться так много - по всем моделям происхождения Вселенной в таком количестве, чтобы определять наблюдаемые эффекты, они рождаться не могли. Практически понятно, что нейтрино имеют массу покоя - тогда их массу можно дотянуть до наблюдаемой - но тут на страже встает знаменитая сверхновая в Магеллановом облаке SN1987A, взорвавшаяся 23 февраля 1987 года, единственная сверхновая, у которой регистрировались нейтрино при URCA-процессе (нейтринном охлаждении ядра, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5401.html). Я рассказывал, что наблюдения тогда показали, что скорость нейтрино не может намного уступать скорости света, а стало быть, их масса весьма мала (подробнее - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/110078.html).
То есть, нейтрино - весьма сомнительные кандидаты на роль единственного компонента "горячей" темной материи - их не столь много и они маломассивны.
С "холодной" темной материей ясности не больше. По одной теории она состоит из динозавров. Это шутка такая. Имеется в виду, что она состоит из реликтов первых мгновений Большого взрыва, когда при колоссальных температурах могли рождаться всякие удивительные сверхмассивные частицы (магнитные монополи, струны разных размерностей и проч.), которые оказались стабильными. В такой теории вся видимая материя - это лишь та доля вещества, появившаяся при Большом взрыве, которая ухитрилась не израсходоваться на создание этих объектов.
Беда в том, что, несмотря на многолетние поиски, ни одного такого объекта обнаружить не удалось.
Была теория об образовании в ходе Большого взрыва первичных черных дыр, в которые "провалилась" большая часть вещества. Но увы, необходимое количество черных дыр или ненаблюдаемых объектов схожей массы (к примеру, несветящихся коричневых карликов с массами, сравнимыми с массами планет) привело бы к заметным видимым эффектам - их гравитация искажала бы изображение объектов, расположенных за ними (микролинзирование; о гравитационном линзировании - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/21298.html), а анализ показывает, что такого интенсивного микролинзирования, которое должно было бы иметь место, если бы темная материя состояла из столь массивных объектов, не наблюдается.
Еще одна широко распространенная гипотеза гласит, что темная материя состоит из так называемых вимпов (еще одна шутка, но уже не моя. WIMP - weakly interacting massive particle - слабо взаимодействующая массивная частица). Что это за вимпы - не знает никто, но их ищут, к тому же есть соображения: очень красивая физическая теория суперсимметрии предсказывает существование целого зоопарка ненайденных частиц, которые должны существовать для сохранения симметрии между бозонами и фермионами. Такие частицы называются суперпартнерами известных частиц.
Теория гласит, что самые легкие суперпартнеры могут быть стабильными, участвовать лишь в гравитационном и слабом взаимодействиях и прекрасно подходить на роль темной материи.
Существуют даже косвенные данные в пользу этой гипотезы. Так, например, центральные области нашей Галактики излучают достаточно много гамма-излучения. Анализ всех существующих источников показывает, что они не могут объяснить такого потока гамма-лучей - а вот гипотетический процесс аннигиляции вимпов и антивимпов вполне может.
Есть данные о прямых наблюдениях частиц, похожих на вимпы, в космическом излучении. По этим данным масса вимпов превосходит массу протона примерно в 7-10 раз.
Впрочем, есть и определенные наблюдательные трудности, вернее, ограничения. Так, поскольку вимпы гравитационно взаимодействуют, они должны захватываться очень массивными объектами, например, нейтронными звездами. Мы помним, что нейтронная звезда не может иметь массу выше некоторой величины (предела Оппенгеймера-Волкова) - при достижении этой массы она неминуемо коллпасирует в черную дыру, потому что при такой массе давление вещества нейтронной звезды уже не способно компенсировать гравитацию. Точно рассчитать величину предела Оппенгеймера-Волкова пока невозможно - но известно, что он лежит в пределах от 2,5 до 3 солнечных масс. Наблюдения с расчетом согласны - самая массивная из известных нейтронных звезд весит 2,5 массы Солнца, а самая "легкая" черная дыра - 3,8 масс Солнца.
А вот теоретический анализ показывает, что, если вимпы в черной дыре есть, ее допустимая масса естественно снижается. И это снижение зависит от массы вимпов. И вот получается, что, если их масса равна массе протона, то нейтронные звезды коллапсировали бы уже при массе в 0,7 солнечных. А для того, чтобы нейтронная звезда оставалась стабильной при массе в 2,5 солнечных (что реально наблюдается) масса вимпов не должны быть более примерно 20% массы протона (если вимпы сильно взаимодействуют - 70%).
Впрочем, тут все не так просто. Вимпы в нейтронных звездах могут просто аннигилировать, генерируя гамма-излучение, и не влиять на массу нейтронной звезды.
Так что наблюдения https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/138682.html, указывающие на возможное существование частицы массой около 7 кэВ - фактически, массивного аналога нейтрино ("стерильного нейтрино"), интересны именно тем, что подтверждение их результата помогло бы в значительной степени решить эту проблему.
Кстати, кое-что об этом поподробнее.
Хотя масса частицы 7 кэВ, вроде бы, мала - она уступает массе электрона более, чем в семьдесят раз - в момент, когда Вселенная могла стать для таких частиц "прозрачной", (то есть, момент времени, в который температура Вселенной вследствие расширения упала настолько, что их энергия начала превышать энергию окружающей материи, и эти частицы вышли из состояния термодинамического равновесия или, можно сказать, отделились от остального вещества) наступил быстро - через несколько секунд с момента появления нашего мира, и при этом их скорость была ниже скорости света на два порядка.
А это означает, замечу, что при такой небольшой скорости они вполне могли в достаточно ранние времена, фактически, начиная с первой минуты жизни Вселенной за счет гравитационных сил (и с учетом оговорок https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/63661.html и https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/123979.html) образовывать достаточно массивные и относительно устойчивые структуры с характерной массой, соответствующей массе сверхскоплений и гиперскоплений галактик.
Так что в случае подтверждения результатов, это открытие вполне соответствует теоретическим представлениям о формировании крупномасштабной структуры Вселенной
Еще интерес в этом смысле представляют наблюдения (до конца не подтвержденные) частиц ультравысоких энергий (то есть, имеющих энергию, превосходящую предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина), которые могут оказаться либо частицами темной материи, либо, скорее, продуктами относительно близкого распада сверхмассивных частиц, входящих в ее состав.
Что такое предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина, он же GZK limit?
Если элементарную частицу, скажем, протон, разогнать до кинетической энергии в пятьдесят квинтиллионов электронвольт (это в несколько миллионов раз больше, чем достигается на пресловутом LHC, Большом адронном коллайдере), то он начнет взаимодействовать с фотонами реликтового излучения и тормозиться. Если он приобретает энергию, большую этой величины (предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина, GZK limit), то он затормозится до этого предела.
По подсчетам, даже если придать протону бесконечно высокую энергию, пролетев примерно 150 миллионов световых лет, он затормозится до предела GZK и будет двигаться дальше с такой энергией.
Это я к чему...
Это я к тому, что по некоторым данным, на Землю регулярно попадают космические лучи с энергией, заметно превышающей предел GZK. (Кстати, при этом с Землей ничего не происходит. Это - еще раз, чтобы напомнить жалобные крики некоторых "специалистов" о том, что коллайдер может разогнать частицы до такой энергии, что они уничтожат Землю).
И вот тут появляются вопросы...
Как минимум, удивительно, какие физические процессы могут придавать элементарным частицам такие чудовищные энергии (а, напомню, масса протона в единицах энергии равна миллиарду электронвольт, так что получается, что релятивистская прибавка к массе в таких лучах превосходит массу покоя частицы в миллиарды раз!). В большинстве своем полагают, что так сильно разогнаться частица может в результате процессов колоссальной энергии - скорее всего, в особо мощных квазарах или блазарах (лацертидах). Но проблема в том, что в радиусе 150 миллионов световых лет от нас нет ни одного подобного объекта - а на больших дистанциях космические лучи затормозились бы по указанной причине. Поэтому понять, откуда появляются такие частицы, весьма и весьма непросто.
Правда, есть данные, что результаты наблюдений могли быть ошибочно интерпретированы (а определить энергию такой космической частицы достаточно сложно, как, кстати, и направление ее движения) - и на самом деле наблюдавшиеся частицы имеют меньшую массу - всего лишь в несколько квинтиллионов эВ, максимум, несколько десятков квинтиллионов. Но эти данные, определенно, спорны.
И вот тут появляется еще один вариант. Если темная материя состоит из очень массивных частиц (превосходящей по массе протон в миллиарды раз), то при их распадах могут возникать протоны и иные элементарные частицы этих самых ультравысоких энергий - и они будут достигать Земли, не успев затормозиться до предела ГЗК.
Это, если говорить просто - неизвестно что, которое состоит неизвестно из чего и имеет массу, в шесть раз большую, чем масса всей видимой материи Вселенной. В результате движением и расположением всей видимой (барионной) материи в крупных масштабах (начиная от галактического) управляет гравитация темной материи - именно она "собирается" в галактики, их скопления, сверхскопления и филаменты, и видимая материя лишь следует за ней - как пена на поверхности воды. Основное свойство темной материи - она не взаимодействует с электромагнитным излучением, сама его не испускает и поэтому не обнаруживается нормальными методами.
Характер и состав темной материи неизвестны. По некоторым данным, она неоднородна - в мире, скорее всего, есть "горячая" темная материя, состоящая из ненаблюдаемых частиц, движущихся со световой или околосветовой скоростью, и "холодная" темная материя, состоящая из массивных "медленных" частиц.
Как говаривал Кристофер Робин, "по-моему, где-то есть Восточный Полюс и Западный Полюс, хотя люди почему-то не любят говорить о них", в смысле, судя по некоторым данным, на свете есть еще и "теплая" темная материя, состоящая из частиц, имеющих скорости от десяти до девяноста процентов скорости света, но это пока сугубо гипотетическое представление.
О том, из чего же состоит темная материя, говорят давно и много. Роль горячей темной материи примеряют к нейтрино, но тут имеются серьезные неувязки. Во-первых, непонятно, откуда их могло взяться так много - по всем моделям происхождения Вселенной в таком количестве, чтобы определять наблюдаемые эффекты, они рождаться не могли. Практически понятно, что нейтрино имеют массу покоя - тогда их массу можно дотянуть до наблюдаемой - но тут на страже встает знаменитая сверхновая в Магеллановом облаке SN1987A, взорвавшаяся 23 февраля 1987 года, единственная сверхновая, у которой регистрировались нейтрино при URCA-процессе (нейтринном охлаждении ядра, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5401.html). Я рассказывал, что наблюдения тогда показали, что скорость нейтрино не может намного уступать скорости света, а стало быть, их масса весьма мала (подробнее - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/110078.html).
То есть, нейтрино - весьма сомнительные кандидаты на роль единственного компонента "горячей" темной материи - их не столь много и они маломассивны.
С "холодной" темной материей ясности не больше. По одной теории она состоит из динозавров. Это шутка такая. Имеется в виду, что она состоит из реликтов первых мгновений Большого взрыва, когда при колоссальных температурах могли рождаться всякие удивительные сверхмассивные частицы (магнитные монополи, струны разных размерностей и проч.), которые оказались стабильными. В такой теории вся видимая материя - это лишь та доля вещества, появившаяся при Большом взрыве, которая ухитрилась не израсходоваться на создание этих объектов.
Беда в том, что, несмотря на многолетние поиски, ни одного такого объекта обнаружить не удалось.
Была теория об образовании в ходе Большого взрыва первичных черных дыр, в которые "провалилась" большая часть вещества. Но увы, необходимое количество черных дыр или ненаблюдаемых объектов схожей массы (к примеру, несветящихся коричневых карликов с массами, сравнимыми с массами планет) привело бы к заметным видимым эффектам - их гравитация искажала бы изображение объектов, расположенных за ними (микролинзирование; о гравитационном линзировании - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/21298.html), а анализ показывает, что такого интенсивного микролинзирования, которое должно было бы иметь место, если бы темная материя состояла из столь массивных объектов, не наблюдается.
Еще одна широко распространенная гипотеза гласит, что темная материя состоит из так называемых вимпов (еще одна шутка, но уже не моя. WIMP - weakly interacting massive particle - слабо взаимодействующая массивная частица). Что это за вимпы - не знает никто, но их ищут, к тому же есть соображения: очень красивая физическая теория суперсимметрии предсказывает существование целого зоопарка ненайденных частиц, которые должны существовать для сохранения симметрии между бозонами и фермионами. Такие частицы называются суперпартнерами известных частиц.
Теория гласит, что самые легкие суперпартнеры могут быть стабильными, участвовать лишь в гравитационном и слабом взаимодействиях и прекрасно подходить на роль темной материи.
Существуют даже косвенные данные в пользу этой гипотезы. Так, например, центральные области нашей Галактики излучают достаточно много гамма-излучения. Анализ всех существующих источников показывает, что они не могут объяснить такого потока гамма-лучей - а вот гипотетический процесс аннигиляции вимпов и антивимпов вполне может.
Есть данные о прямых наблюдениях частиц, похожих на вимпы, в космическом излучении. По этим данным масса вимпов превосходит массу протона примерно в 7-10 раз.
Впрочем, есть и определенные наблюдательные трудности, вернее, ограничения. Так, поскольку вимпы гравитационно взаимодействуют, они должны захватываться очень массивными объектами, например, нейтронными звездами. Мы помним, что нейтронная звезда не может иметь массу выше некоторой величины (предела Оппенгеймера-Волкова) - при достижении этой массы она неминуемо коллпасирует в черную дыру, потому что при такой массе давление вещества нейтронной звезды уже не способно компенсировать гравитацию. Точно рассчитать величину предела Оппенгеймера-Волкова пока невозможно - но известно, что он лежит в пределах от 2,5 до 3 солнечных масс. Наблюдения с расчетом согласны - самая массивная из известных нейтронных звезд весит 2,5 массы Солнца, а самая "легкая" черная дыра - 3,8 масс Солнца.
А вот теоретический анализ показывает, что, если вимпы в черной дыре есть, ее допустимая масса естественно снижается. И это снижение зависит от массы вимпов. И вот получается, что, если их масса равна массе протона, то нейтронные звезды коллапсировали бы уже при массе в 0,7 солнечных. А для того, чтобы нейтронная звезда оставалась стабильной при массе в 2,5 солнечных (что реально наблюдается) масса вимпов не должны быть более примерно 20% массы протона (если вимпы сильно взаимодействуют - 70%).
Впрочем, тут все не так просто. Вимпы в нейтронных звездах могут просто аннигилировать, генерируя гамма-излучение, и не влиять на массу нейтронной звезды.
Так что наблюдения https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/138682.html, указывающие на возможное существование частицы массой около 7 кэВ - фактически, массивного аналога нейтрино ("стерильного нейтрино"), интересны именно тем, что подтверждение их результата помогло бы в значительной степени решить эту проблему.
Кстати, кое-что об этом поподробнее.
Хотя масса частицы 7 кэВ, вроде бы, мала - она уступает массе электрона более, чем в семьдесят раз - в момент, когда Вселенная могла стать для таких частиц "прозрачной", (то есть, момент времени, в который температура Вселенной вследствие расширения упала настолько, что их энергия начала превышать энергию окружающей материи, и эти частицы вышли из состояния термодинамического равновесия или, можно сказать, отделились от остального вещества) наступил быстро - через несколько секунд с момента появления нашего мира, и при этом их скорость была ниже скорости света на два порядка.
А это означает, замечу, что при такой небольшой скорости они вполне могли в достаточно ранние времена, фактически, начиная с первой минуты жизни Вселенной за счет гравитационных сил (и с учетом оговорок https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/63661.html и https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/123979.html) образовывать достаточно массивные и относительно устойчивые структуры с характерной массой, соответствующей массе сверхскоплений и гиперскоплений галактик.
Так что в случае подтверждения результатов, это открытие вполне соответствует теоретическим представлениям о формировании крупномасштабной структуры Вселенной
Еще интерес в этом смысле представляют наблюдения (до конца не подтвержденные) частиц ультравысоких энергий (то есть, имеющих энергию, превосходящую предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина), которые могут оказаться либо частицами темной материи, либо, скорее, продуктами относительно близкого распада сверхмассивных частиц, входящих в ее состав.
Что такое предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина, он же GZK limit?
Если элементарную частицу, скажем, протон, разогнать до кинетической энергии в пятьдесят квинтиллионов электронвольт (это в несколько миллионов раз больше, чем достигается на пресловутом LHC, Большом адронном коллайдере), то он начнет взаимодействовать с фотонами реликтового излучения и тормозиться. Если он приобретает энергию, большую этой величины (предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина, GZK limit), то он затормозится до этого предела.
По подсчетам, даже если придать протону бесконечно высокую энергию, пролетев примерно 150 миллионов световых лет, он затормозится до предела GZK и будет двигаться дальше с такой энергией.
Это я к чему...
Это я к тому, что по некоторым данным, на Землю регулярно попадают космические лучи с энергией, заметно превышающей предел GZK. (Кстати, при этом с Землей ничего не происходит. Это - еще раз, чтобы напомнить жалобные крики некоторых "специалистов" о том, что коллайдер может разогнать частицы до такой энергии, что они уничтожат Землю).
И вот тут появляются вопросы...
Как минимум, удивительно, какие физические процессы могут придавать элементарным частицам такие чудовищные энергии (а, напомню, масса протона в единицах энергии равна миллиарду электронвольт, так что получается, что релятивистская прибавка к массе в таких лучах превосходит массу покоя частицы в миллиарды раз!). В большинстве своем полагают, что так сильно разогнаться частица может в результате процессов колоссальной энергии - скорее всего, в особо мощных квазарах или блазарах (лацертидах). Но проблема в том, что в радиусе 150 миллионов световых лет от нас нет ни одного подобного объекта - а на больших дистанциях космические лучи затормозились бы по указанной причине. Поэтому понять, откуда появляются такие частицы, весьма и весьма непросто.
Правда, есть данные, что результаты наблюдений могли быть ошибочно интерпретированы (а определить энергию такой космической частицы достаточно сложно, как, кстати, и направление ее движения) - и на самом деле наблюдавшиеся частицы имеют меньшую массу - всего лишь в несколько квинтиллионов эВ, максимум, несколько десятков квинтиллионов. Но эти данные, определенно, спорны.
И вот тут появляется еще один вариант. Если темная материя состоит из очень массивных частиц (превосходящей по массе протон в миллиарды раз), то при их распадах могут возникать протоны и иные элементарные частицы этих самых ультравысоких энергий - и они будут достигать Земли, не успев затормозиться до предела ГЗК.
(no subject)
Date: 2017-12-23 07:18 am (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 07:35 am (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:06 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:08 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:11 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:15 pm (UTC)А вообще, история с его нарушением уже затянулась сверх всяких пределов психологического комфорта. :)
Люди все дразнятся, карты публикуют, никто внятно не объясняет, потом сомневаются, потом опять прекращают сомневаться... откуда это и как берется, никто не знает...
(no subject)
Date: 2017-12-23 01:30 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:40 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:42 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:44 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:45 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 01:59 pm (UTC)(no subject)
Date: 2017-12-23 02:02 pm (UTC)