Детектив о темной материи
Jul. 27th, 2018 08:01 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeЕсли говорить просто, темная материя - это 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 гиперскопления, 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. Впрочем, сама с собой она тоже не взаимодействует - ничем, кроме гравитации.
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.
Некоторое время назад, в 2014 году, почти одновременно сразу две независимые группы, исследуя спектры рентгеновского излучения (одна - по данным наблюдения множества наложившихся друг на друга при наблюдении скоплений галактик, вторая - при исследовании огромного галактического кластера Персея - он содержит тысячи галактик, буквально закутанных в мощное облако межгалактического газа, и является самым ярким рентгеновским источником на небе) обнаружили в спектре рентгеновского излучения неидентифицированную линию, соответствующую энергии примерно 3,52 килоэлектронВольт.
Найти известный физический процесс, "ответственный" за излучение этой линии, не удалось.
Появилась весьма разумная гипотеза, гласящая, что это излучение объясняется распадом частиц темной материи (на нейтрино и фотон - тот самый, несущий энергию 3,52 кэВ). Такой процесс может быть чрезвычайно редок (по оценкам, среднее время жизни распадающихся частиц может превосходить время жизни Вселенной порядков на шесть) - но для космических масштабов в подобных условиях он теоретически должен наблюдаться.
В таком случае масса распадающихся частиц темной материи должна быть равна примерно 7 кэВ - раз в семьдесят легче электрона. Вполне съедобно теоретически. Если даже не вся темная материя состоит из таких частиц, то уж частично - вполне может.
Осталось ждать подтверждения и продолжения исследований. И задумываться о так называемых стерильных нейтрино - теоретически возможных и предусмотренных некоторыми физическими моделями частицах подходящей массы, прекрасно подходящих на роль темной материи.
Кстати, кое-что об этом поподробнее.
Хотя масса частицы 7 кэВ, вроде бы, мала - она уступает массе электрона более, чем в семьдесят раз - 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 достаточно 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 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 соответствовало бы теоретическим представлениям о формировании крупномасштабной структуры Вселенной.
А дальше начался детектив...
1. Подождали. Подтверждение статистически значимого существования эмиссионной линии 3,52 кэВ было опубликовано для обоих случаев - и для кластера Персея, и для 73 удаленных кластеров.
См. также http://arxiv.org/abs/1402.2301, https://arxiv.org/abs/1402.4119
2. Но все оказалось не столь простым. Длительные (18,5 суток) непрерывные наблюдения карликовой галактики в Драконе (есть такой спутник у Млечного пути, удаленная на 260 тысяч световых лет карликовая сферическая галактикаl. Интересна эта галактика тем, что доля темной материи в ее полной массе является наибольшей из известных, и это - объект с наибольшей концентрацией темной материи из всех известных объектов Вселенной) не показали ни одного события наблюдения рентгеновского излучения с энергией около 3,5 кэВ. Увы, но со значительной вероятностью это исключало связь указанной выше эмиссии с темной материей. При этом, опять же, увы, окончательный вывод делать было рано - чувствительность оборудования позволяла делать выводы на грани погрешности наблюдений.
3. Уже после, в 2016 году спутник Hitomi, казалось бы, закрыл вопрос - его чувствительность была достаточно высокой, и он не подтвердил наличия эмиссии рентгеновского излучения с энергией 3,52 кэВ в спектре скопления Персея.
Казалось бы, все понятно - ошибка наблюдения, чего уж тут, и красивая идея погибла на корню. Но не тут-то было. Вопрос о том, отчего же эту линию наблюдали другими инструментами, остался.
4. А потом, в конце прошлого года обнаружились интересные вещи.
Hitomi, конечно, улавливает рентгеновское излучение с прекрасной чувствительностью (с высоким разрешением по спектру) - но вот пространственное разрешение у него не слишком высоко, в то время, как ранее наблюдавшие эмиссию в кластере Персея аппараты, такие как Chandra, "видят" намного меньшую область неба и обладают, соответственно, при меньшей чувствительности большим пространственным разрешением.
Hitomi "захватывает" и темное гало кластера, и сверхмассивную черную дыру его центральной галактики. А аккуратные исследования показали, что в районе черной дыры, наоборот, наблюдается поглощение рентгеновской эмиссии. Если суммировать наблюдения от черной дыры и окружающей ее области, суммарный сигнал не показывает характерного для наблюдений с большим пространственным разрешением пика.
5. Проверили. Если провести наблюдения периферийной области кластера на Chandra - пик наблюдается!
Получили неожиданный вывод - в таком случае, темная материя в самой центральной галактике еще и поглощает рентгеновское излучение этой энергии с последующим (очень медленным!) переизлучением.
Вот так...
6. Ну, а на днях, 24 июля, опубликован препринт https://arxiv.org/abs/1807.08740, в котором подтверждено с высокой достоверностью, что неидентифицированная линия рентгеновского излучения энергии 3,52 кэВ в старой карликовой галактике Сетка II не принадлежит астрофизическим источникам. А в принципе, кроме них возможный источник лишь один.
А стало быть, чем дальше, тем больше все это похоже как на открытие ранее известных сугубо теоретически и практически ни с чем не взаимодействующих стерильных нейтрино, так и на понимание того, из чего, полностью или частично, состоит загадочная темная материя.
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.
Некоторое время назад, в 2014 году, почти одновременно сразу две независимые группы, исследуя спектры рентгеновского излучения (одна - по данным наблюдения множества наложившихся друг на друга при наблюдении скоплений галактик, вторая - при исследовании огромного галактического кластера Персея - он содержит тысячи галактик, буквально закутанных в мощное облако межгалактического газа, и является самым ярким рентгеновским источником на небе) обнаружили в спектре рентгеновского излучения неидентифицированную линию, соответствующую энергии примерно 3,52 килоэлектронВольт.
Найти известный физический процесс, "ответственный" за излучение этой линии, не удалось.
Появилась весьма разумная гипотеза, гласящая, что это излучение объясняется распадом частиц темной материи (на нейтрино и фотон - тот самый, несущий энергию 3,52 кэВ). Такой процесс может быть чрезвычайно редок (по оценкам, среднее время жизни распадающихся частиц может превосходить время жизни Вселенной порядков на шесть) - но для космических масштабов в подобных условиях он теоретически должен наблюдаться.
В таком случае масса распадающихся частиц темной материи должна быть равна примерно 7 кэВ - раз в семьдесят легче электрона. Вполне съедобно теоретически. Если даже не вся темная материя состоит из таких частиц, то уж частично - вполне может.
Осталось ждать подтверждения и продолжения исследований. И задумываться о так называемых стерильных нейтрино - теоретически возможных и предусмотренных некоторыми физическими моделями частицах подходящей массы, прекрасно подходящих на роль темной материи.
Кстати, кое-что об этом поподробнее.
Хотя масса частицы 7 кэВ, вроде бы, мала - она уступает массе электрона более, чем в семьдесят раз - 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 достаточно 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 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 соответствовало бы теоретическим представлениям о формировании крупномасштабной структуры Вселенной.
А дальше начался детектив...
1. Подождали. Подтверждение статистически значимого существования эмиссионной линии 3,52 кэВ было опубликовано для обоих случаев - и для кластера Персея, и для 73 удаленных кластеров.
См. также http://arxiv.org/abs/1402.2301, https://arxiv.org/abs/1402.4119
2. Но все оказалось не столь простым. Длительные (18,5 суток) непрерывные наблюдения карликовой галактики в Драконе (есть такой спутник у Млечного пути, удаленная на 260 тысяч световых лет карликовая сферическая галактикаl. Интересна эта галактика тем, что доля темной материи в ее полной массе является наибольшей из известных, и это - объект с наибольшей концентрацией темной материи из всех известных объектов Вселенной) не показали ни одного события наблюдения рентгеновского излучения с энергией около 3,5 кэВ. Увы, но со значительной вероятностью это исключало связь указанной выше эмиссии с темной материей. При этом, опять же, увы, окончательный вывод делать было рано - чувствительность оборудования позволяла делать выводы на грани погрешности наблюдений.
3. Уже после, в 2016 году спутник Hitomi, казалось бы, закрыл вопрос - его чувствительность была достаточно высокой, и он не подтвердил наличия эмиссии рентгеновского излучения с энергией 3,52 кэВ в спектре скопления Персея.
Казалось бы, все понятно - ошибка наблюдения, чего уж тут, и красивая идея погибла на корню. Но не тут-то было. Вопрос о том, отчего же эту линию наблюдали другими инструментами, остался.
4. А потом, в конце прошлого года обнаружились интересные вещи.
Hitomi, конечно, улавливает рентгеновское излучение с прекрасной чувствительностью (с высоким разрешением по спектру) - но вот пространственное разрешение у него не слишком высоко, в то время, как ранее наблюдавшие эмиссию в кластере Персея аппараты, такие как Chandra, "видят" намного меньшую область неба и обладают, соответственно, при меньшей чувствительности большим пространственным разрешением.
Hitomi "захватывает" и темное гало кластера, и сверхмассивную черную дыру его центральной галактики. А аккуратные исследования показали, что в районе черной дыры, наоборот, наблюдается поглощение рентгеновской эмиссии. Если суммировать наблюдения от черной дыры и окружающей ее области, суммарный сигнал не показывает характерного для наблюдений с большим пространственным разрешением пика.
5. Проверили. Если провести наблюдения периферийной области кластера на Chandra - пик наблюдается!
Получили неожиданный вывод - в таком случае, темная материя в самой центральной галактике еще и поглощает рентгеновское излучение этой энергии с последующим (очень медленным!) переизлучением.
Вот так...
6. Ну, а на днях, 24 июля, опубликован препринт https://arxiv.org/abs/1807.08740, в котором подтверждено с высокой достоверностью, что неидентифицированная линия рентгеновского излучения энергии 3,52 кэВ в старой карликовой галактике Сетка II не принадлежит астрофизическим источникам. А в принципе, кроме них возможный источник лишь один.
А стало быть, чем дальше, тем больше все это похоже как на открытие ранее известных сугубо теоретически и практически ни с чем не взаимодействующих стерильных нейтрино, так и на понимание того, из чего, полностью или частично, состоит загадочная темная материя.
(no subject)
Date: 2018-07-27 07:17 am (UTC)А по стерильным нейтрино детектив явно незаконченный. Нашли косвенные улики, грубо говоря - чьи-то отпечатки на месте очередного преступления, которые не числятся в базе данных известных преступников. Наследил давно разыскиваемый серийный убийца, больше некому! Но ни поймать его, ни убедиться, что он действует в одиночку, а не организованной бандой - не удалось пока.
Если темной материи так много, то неужели мы не можем поймать и посадить в банку для исследования хоть десяток этих стерильных нейтрино? Гравитационно-то она взаимодействует, значит ловушку гравитационную можно им устроить?
(no subject)
Date: 2018-07-27 07:45 am (UTC)Вот ближайшие: https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/46195.html
А насчет стерильных нейтрино - так конечно не законченный. И дело в том, что отловить частицу столь ничтожной массы (1/70 от электрона), которая ничем не взаимодействует (разве что, очень слабо - распадается по милости слабого взаимодействия с временем жизни порядка 10^20 лет) практически невозможно.
Благодаря своей скорости она спокойно вылетает из местных гравитационных полей, от отсутствия электрического, сильного и слабого взаимодействия - пролетит через любое тело.
Гравитационная ловушка для таких - гравитация галактики. Они ее, собственно, в значительной степени создают, собравшись в сгущение, и поддерживают. И мы их можем теоретически увидеть только когда они начинают распадаться (вот так редко) - по очень слабому рентгеновскому излучению.
И то надо понимать одну особенность - даже достаточно "холодная", медленная частица в таком гравитационном поле тормозится очень слабо - она все же имеет кинетическую энергию - и начинает описывать эллипсы с радиусом порядка тысяч и десятков тысяч световых лет. Видимо, рой таких частиц и представляет собой почти полностью (или весьма частично) "темное гало" галактики.
Чтобы хоть как-то закончить детектив, нужно ждать следующего поколения инструментов - рентгеновских орбитальных телескопов с гораздо более высокой чувствительностью (селективностью) и гораздо лучшим пространственным разрешением. Тогда можно будет снимать карты (фотографии галактик и их скоплений в линии 3,52 кэВ) - и таким образом картировать расположение этих частиц.
(no subject)
Date: 2018-07-27 08:24 am (UTC)(no subject)
Date: 2018-07-27 08:31 am (UTC)Остается разбираться. Благо преступник с места преступления не исчезает (надеюсь) и продолжает свою деятельность. Если он, конечно, есть.
Это я еще историю борьбы с темной материей не описываю - в виде, например, метаний и борений модифицированной теории гравитации - поскольку убежденно считаю ее бессмысленной, а вводить в уши теории, которые по моему мнению, ошибочны, не хочу. Вот если вдруг каким-то чудом они подтвердятся (не просто чудом, а лишь соизволением Господним!) - тогда расскажу. :)