И кое-что о темной материи и черных дырах
Jan. 28th, 2021 01:33 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeО том, что темная материя - это неизвестно что, состоящее неизвестно, из чего, преимущественно, холодное (в смысле, нерелятивистское, со скоростью движения составляющих ее объектов, намного уступающей скорости света), по массе превышающее видимую (барионную) материю раз в шесть и управляющее ее движением и расположением в крупных структурах (галактиках, скоплениях, сверхскоплениях) и тем самым формирующее наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной, я уже много раз говорил. А еще говорил, что она - бесстолкновительная, взаимодействует сама с собой и с видимой материей исключительно за счет гравитации.
Разумеется, то, что состав темной материи неизвестен, выглядит вызовом исследователям - особенно, потому, что из-за бесстолкновительного характера и отсутствия негравитационных взаимодействий "поймать и посмотреть" на нее не получается. И столь же разумеется, что пройти мимо такого напрашивающегося кандидата в состав темной материи, как черные дыры, очень трудно. Казалось бы, где найти кандидатов лучше? Бесстолкновительные (попробуйте попасть в черную дыру - она же маленькая!), взаимодействующие только гравитационными силами, невидимые...
Описывать долгие приключения этой идеи не буду. Отмечу только, что она, в принципе, легко проверяется. Как именно? Гравитационным линзированием https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/21298.html. Если темная материя состоит из черных дыр хотя бы звездных масс (и даже масс, сравнимых с массами планет), то их движение будет приводить к тому, что рано или поздно та или иная дыра попадет между нами и тем или иным объектом (скажем, удаленной галактикой) и слегка исказит изображение. Статистически, зная массу темной материи, можно оценить, как часто такое будет происходить (для разного ожидаемого спектра масс составляющих темную материю черных дыр) - и, наблюдая события микролинзирования https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/181356.html, даже оценить реальный спектр этих масс.
Вооружившись расчетами и телескопами, начали наблюдать...
Ну, и итог. Ни одного внятно приписанного черным дырам события линзирования так и не увидели. Ни разу. За годы исследований. Ни для какого мыслимого спектра возможных масс черных дыр, который мог бы наблюдаться при линзировании. Словом, пока вывод аккуратно формулируется так: статистика событий гравитационного микролинзирования показывает, что максимальная доля (по массе) черных дыр любого рода при условии, что их массы не уступают массам планеты, в составе темной материи не может превышать 0,1%.
Теоретически, это еще не конец идеи. Темная материя может (каким-то образом) состоять из черных дыр существенно меньшей массы, которые современным инструментарием при событиях гравитационного линзирования не наблюдаются.
Идея выглядит так: конечно, в современной Вселенной такие черные дыры образовываться не могут. Но представим себе, что при Большом взрыве, вернее, вскоре после его начала образовалось множество черных дыр (так называемых первичных, primordial black holes). Раз наблюдения показывают, что черных дыр достаточно большой массы в составе черной материи нет, то может, они были маленькими?
Увы, и тут все непросто. Первичные черные дыры малой массы, меньшей, ориентировочно, массы не слишком огромного астероида, до наших дней не дожили бы - вспомним, что черные дыры тоже не вечны https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/19109.html, и чем они легче, тем меньше время их жизни за счет квантовомеханического испарения.
Впрочем, и тут попробовали поискать лазейку: ведь никто не запрещает вообразить, что первичные черные дыры бывали раньше, а в более поздние времена они постепенно вымерли. А значит, вначале темной материи, в состав которой они входили, было больше, потом они постепенно испарялись, и ее становилось меньше, а значит, плотность вещества во Вселенной падала быстрее, чем положено при ее (Вселенной) расширении, и расширение Вселенной ускорялось.
Красивая идея - но опять же, увы. Возражение против нее просто: не существует признаков излучения первичных черных дыр малой массы, которым должна была сопровождаться их гибель. А стоило бы увидеть - оно по идее должно влиять на реликтовый фон, такого влияния не видно.
И тут нашлось возражение: при некотором специальном выборе, точнее, подборе спектра масс первичных черных дыр картина их испарения на ранних этапах жизни Вселенной может согласовываться с наблюдательными данными, существующей картиной реликтового излучения и ΛCDM.
И вот тут последовали coups de grâce от теоретиков (а это - страшные люди! Эта mesnada кого хочешь стопчет своими борзыми caballos!)
Удар первый. Время жизни первичных черных дыр с массами, лежащими в пределах миллиардов-десятков миллиардов тонн, истекало в эпоху реионизации. При значительной доле таких черных дыр в составе темной материи, их гибель, сопровождавшаяся мощными всплесками излучения, вносила бы серьезный вклад в состав реионизирующего излучения (того, которое вновь нагрело и ионизировало газ Вселенной после того, как тот сотни миллионов лет после Большого взрыва остывал вследствие ее расширения - а это привело к многочисленным наблюдаемым последствиям, в первую очередь, определив характер эволюции галактик).
Соответственно, вклад всплесков хокинговского излучения от гибели первичных черных дыр выражался бы в следующем:
- Распределение первичных черных дыр в эпоху рекомбинации соответствует распределению темной материи, которая в эпоху рекомбинации была более концентрирована, чем барионная (видимая) (причины этого - см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/63661.html. Собственно, именно концентрация темной материи приводила к повышению амплитуды барионных акустических колебаний, формировавших крупномасштабную структуру Вселенной). Значит, излучение, нагревавшее газ, имело бы два источника: квазары, сверхновые и пр., распределение которых соответствует распределению барионной материи, и первичные черные дыры, распределение которых более концентрировано в пространстве. А значит, чем выше доля первичных черных дыр, тем больше неоднородности в распределении реионизирующего излучения;
- При этом вспышки излучения Хокинга должны быть достаточно многочисленны и относительно низкоэнергетичны. Это подавляет мелкомасштабные вариации температуры в реионизированной плазме по сравнению с ситуацией, когда реионизация вызывалась бы только лишь меньшим количеством мощных (сверхновые) и сверхмощных (квазары и прочие активные ядра протогалактик) источников.
Ну, и соответственно, все это отразилось бы и на наблюдаемых реионизационных эффектах, и на последующей эволюции галактик.
Так вот, увы. Наблюдаемые эффекты не видят заметных следов первичных черных дыр в реионизирующем излучении, даже если для его включения в картину мира варьировать параметры модели ΛCDM. В частности, при принятых параметрах и в предположении равномерного распределения первичных черных дыр в пределах от одного до ста миллиардов тонн, их доля в суммарной массе вещества не превосходила 0,000016.
Удар второй. А если бы все первичные черные дыры были бы большей массы, специально подобранной так, чтобы взрываться только после завершения реионизации - то мы их излучение Хокинга при взрывах просто бы наблюдали. В достаточном количестве, чтобы вообще замаскировать множество наблюдаемых более ранних объектов.
Итог: очередное увы. Если в составе темной материи и есть черные дыры, их вклад в ее общую массу является ничтожно малым. И раньше был ничтожно малым - по крайней мере, с момента спустя сотню-другую миллионов лет после образования Вселенной.
Разумеется, то, что состав темной материи неизвестен, выглядит вызовом исследователям - особенно, потому, что из-за бесстолкновительного характера и отсутствия негравитационных взаимодействий "поймать и посмотреть" на нее не получается. И столь же разумеется, что пройти мимо такого напрашивающегося кандидата в состав темной материи, как черные дыры, очень трудно. Казалось бы, где найти кандидатов лучше? Бесстолкновительные (попробуйте попасть в черную дыру - она же маленькая!), взаимодействующие только гравитационными силами, невидимые...
Описывать долгие приключения этой идеи не буду. Отмечу только, что она, в принципе, легко проверяется. Как именно? Гравитационным линзированием https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/21298.html. Если темная материя состоит из черных дыр хотя бы звездных масс (и даже масс, сравнимых с массами планет), то их движение будет приводить к тому, что рано или поздно та или иная дыра попадет между нами и тем или иным объектом (скажем, удаленной галактикой) и слегка исказит изображение. Статистически, зная массу темной материи, можно оценить, как часто такое будет происходить (для разного ожидаемого спектра масс составляющих темную материю черных дыр) - и, наблюдая события микролинзирования https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/181356.html, даже оценить реальный спектр этих масс.
Вооружившись расчетами и телескопами, начали наблюдать...
Ну, и итог. Ни одного внятно приписанного черным дырам события линзирования так и не увидели. Ни разу. За годы исследований. Ни для какого мыслимого спектра возможных масс черных дыр, который мог бы наблюдаться при линзировании. Словом, пока вывод аккуратно формулируется так: статистика событий гравитационного микролинзирования показывает, что максимальная доля (по массе) черных дыр любого рода при условии, что их массы не уступают массам планеты, в составе темной материи не может превышать 0,1%.
Теоретически, это еще не конец идеи. Темная материя может (каким-то образом) состоять из черных дыр существенно меньшей массы, которые современным инструментарием при событиях гравитационного линзирования не наблюдаются.
Идея выглядит так: конечно, в современной Вселенной такие черные дыры образовываться не могут. Но представим себе, что при Большом взрыве, вернее, вскоре после его начала образовалось множество черных дыр (так называемых первичных, primordial black holes). Раз наблюдения показывают, что черных дыр достаточно большой массы в составе черной материи нет, то может, они были маленькими?
Увы, и тут все непросто. Первичные черные дыры малой массы, меньшей, ориентировочно, массы не слишком огромного астероида, до наших дней не дожили бы - вспомним, что черные дыры тоже не вечны https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/19109.html, и чем они легче, тем меньше время их жизни за счет квантовомеханического испарения.
Впрочем, и тут попробовали поискать лазейку: ведь никто не запрещает вообразить, что первичные черные дыры бывали раньше, а в более поздние времена они постепенно вымерли. А значит, вначале темной материи, в состав которой они входили, было больше, потом они постепенно испарялись, и ее становилось меньше, а значит, плотность вещества во Вселенной падала быстрее, чем положено при ее (Вселенной) расширении, и расширение Вселенной ускорялось.
Красивая идея - но опять же, увы. Возражение против нее просто: не существует признаков излучения первичных черных дыр малой массы, которым должна была сопровождаться их гибель. А стоило бы увидеть - оно по идее должно влиять на реликтовый фон, такого влияния не видно.
И тут нашлось возражение: при некотором специальном выборе, точнее, подборе спектра масс первичных черных дыр картина их испарения на ранних этапах жизни Вселенной может согласовываться с наблюдательными данными, существующей картиной реликтового излучения и ΛCDM.
И вот тут последовали coups de grâce от теоретиков (а это - страшные люди! Эта mesnada кого хочешь стопчет своими борзыми caballos!)
Удар первый. Время жизни первичных черных дыр с массами, лежащими в пределах миллиардов-десятков миллиардов тонн, истекало в эпоху реионизации. При значительной доле таких черных дыр в составе темной материи, их гибель, сопровождавшаяся мощными всплесками излучения, вносила бы серьезный вклад в состав реионизирующего излучения (того, которое вновь нагрело и ионизировало газ Вселенной после того, как тот сотни миллионов лет после Большого взрыва остывал вследствие ее расширения - а это привело к многочисленным наблюдаемым последствиям, в первую очередь, определив характер эволюции галактик).
Соответственно, вклад всплесков хокинговского излучения от гибели первичных черных дыр выражался бы в следующем:
- Распределение первичных черных дыр в эпоху рекомбинации соответствует распределению темной материи, которая в эпоху рекомбинации была более концентрирована, чем барионная (видимая) (причины этого - см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/63661.html. Собственно, именно концентрация темной материи приводила к повышению амплитуды барионных акустических колебаний, формировавших крупномасштабную структуру Вселенной). Значит, излучение, нагревавшее газ, имело бы два источника: квазары, сверхновые и пр., распределение которых соответствует распределению барионной материи, и первичные черные дыры, распределение которых более концентрировано в пространстве. А значит, чем выше доля первичных черных дыр, тем больше неоднородности в распределении реионизирующего излучения;
- При этом вспышки излучения Хокинга должны быть достаточно многочисленны и относительно низкоэнергетичны. Это подавляет мелкомасштабные вариации температуры в реионизированной плазме по сравнению с ситуацией, когда реионизация вызывалась бы только лишь меньшим количеством мощных (сверхновые) и сверхмощных (квазары и прочие активные ядра протогалактик) источников.
Ну, и соответственно, все это отразилось бы и на наблюдаемых реионизационных эффектах, и на последующей эволюции галактик.
Так вот, увы. Наблюдаемые эффекты не видят заметных следов первичных черных дыр в реионизирующем излучении, даже если для его включения в картину мира варьировать параметры модели ΛCDM. В частности, при принятых параметрах и в предположении равномерного распределения первичных черных дыр в пределах от одного до ста миллиардов тонн, их доля в суммарной массе вещества не превосходила 0,000016.
Удар второй. А если бы все первичные черные дыры были бы большей массы, специально подобранной так, чтобы взрываться только после завершения реионизации - то мы их излучение Хокинга при взрывах просто бы наблюдали. В достаточном количестве, чтобы вообще замаскировать множество наблюдаемых более ранних объектов.
Итог: очередное увы. Если в составе темной материи и есть черные дыры, их вклад в ее общую массу является ничтожно малым. И раньше был ничтожно малым - по крайней мере, с момента спустя сотню-другую миллионов лет после образования Вселенной.
(no subject)
Date: 2021-01-28 12:13 pm (UTC)Допустим, темная материя состоит из черных дыр такой-то (в среднем) массы. Их плотность в районе (хочется написать Земли, но навреное есть объекты, на которых эффект обнаруживается легче, ярче, и хараткренее) - такая-то, т.е. столкновения в Землей / Солнцем / Стрельцом А / ... происходят с частотой Х. При таком столкновении наблюдаются такие-то эффекты, мы их не наблюдаем - следовательно предположение неверно.
Кроме того, если мы можем вычислить ожидаемые скорости движения темной материи в таких-то областях, и они существенно отличаются от скоростей видимого вещества, то это самое видимое вещество будет испытывать торможение / ускорение, необъяснимое другими способами.
То есть, предлагаю играть на том, что черные дыры - объекты вполне себе столкновительные, просто вероятности малы, поэтому надо брать статистикой.
Вообще, елси честно, меня бесстолкновительность ТМ сильно удивляет, это же чуть ли ни единственный пример в физике такого поведения, или я путаю?
(no subject)
Date: 2021-01-28 12:27 pm (UTC)Видимая материя прекрасно и в самых разных местах испытывает ускорения, необъяснимые другими способами - именно они и позволяют обнаруживать темную материю. в конце концов, галактика - по определению объект, движение барионной материи в котором не определяется ее гравитацией. То есть, объект из темной материи, на которую "притянулась" барионная.
А что до бесстолкновительности темной материи - в принципе, потому она и темная, что иных взаимодействий, кроме гравитационного, не испытывает. Нейтрино чем-то ее напоминает - но оно все же хоть как-то взаимодействует, да и масса нейтрино маловата для того, чтобы быть темной материей. Вот холодные низкоэнергетичные нейтрино на роль темной материи подошли бы - только непонятно, как им удалось остыть до требуемой температуры. Поэтому часто ищут в области стерильного (не участвующего в слабом взаимодействии) нейтрино https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C - оно бы решило много проблем.
(no subject)
Date: 2021-01-28 12:36 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 12:37 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 12:44 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 12:45 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 12:29 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 07:25 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 07:52 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 08:17 pm (UTC)(no subject)
Date: 2021-01-28 08:28 pm (UTC)Как-то все так устроено, что самые простые идеи непременно неверны. :)