Темная материя — полтергейст Природы. Мы видим ее проявления, но не видим ее и не знаем, что это такое. Как будто Природа играет с нами в шутки, скрывая большую часть своей массы и мешая нам определить, что это такое.
Это все часть проблемы «недостающей массы» Вселенной. На самом деле, это наша проблема. Вселенная такая, какая она есть. Проблема в нашем понимании Вселенной, массы и гравитации. И решение оказывается неуловимым.
Какой бы ни была недостающая масса или что бы ни вызывало наблюдаемые нами эффекты, у нас есть для этого временное название: темная материя. И она составляет 85% материи во Вселенной.
Может ли темная материя быть первичными черными дырами? Могут ли это быть аксионы? А как насчет WIMPS? Являются ли темные фотоны ее переносчиками силы? Есть много теоретических мыслей, но нет вывода.
Новое исследование в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society говорит, что наша охота за темной материей может быть не на правильном пути. Вместо поиска типа частицы, решение может заключаться в типе топологического дефекта, обнаруженного по всей Вселенной, корни которого уходят в ранние стадии Вселенной.
Новое исследование представлено в статье под названием «Связывание космологических структур безмассовыми топологическими дефектами». Автор — Ричард Лью, выдающийся профессор физики и астрономии в Университете Алабамы в Хантсвилле.
«Тогда нет необходимости продолжать этот, казалось бы, бесконечный поиск темной материи».
Доктор Ричард Лью, профессор, Университет Алабамы, Хантсвилл
Как ясно из названия статьи, темная материя оказывает связывающее воздействие на структуры, подобные галактикам. Астрономы знают, что галактики не обладают достаточной измеримой массой, чтобы удерживать себя вместе. Измерив массу звезд и газа в галактиках, стало ясно, что видимые компоненты галактик не обеспечивают достаточной массы, чтобы удерживать себя вместе. Они должны просто рассеяться в своих составляющих звездах и облаках газа.
Но галактики не рассеиваются, и ученые пришли к выводу, что чего-то не хватает. У профессора Лью есть другая идея.
«Мое собственное вдохновение пришло из моего поиска другого решения уравнений гравитационного поля общей теории относительности — упрощенная версия которого, применимая к условиям галактик и скоплений галактик, известна как уравнение Пуассона — которое дает конечную силу гравитации при отсутствии какой-либо обнаруживаемой массы», — сказал Лью. «Эта инициатива, в свою очередь, вызвана моим разочарованием статус-кво, а именно представлением о существовании темной материи, несмотря на отсутствие каких-либо прямых доказательств в течение целого столетия».
Целый век — это долгий срок в эпоху современной науки. Неудивительно, что Природа обладает силой, способной сбивать нас с толку, но несколько удивительно, что в решении этой проблемы достигнут очень малый прогресс. Ученые достигли большого прогресса в понимании того, как темная материя влияет на крупномасштабную структуру Вселенной, впечатляющее достижение, но так и не выяснили, что это такое.
«Природа темной материи (ТМ), конкретно определенной в этом письме как неизвестный компонент космического субстрата, ответственный за дополнительное гравитационное поле, связывающее галактики и скопления галактик, была загадкой на протяжении более столетия», — пишет доктор Лью в своей статье.
Работа Лью опирается на фазовые переходы во Вселенной. Это эпизоды, когда состояние материи во Вселенной меняется. Не локально, а по всему космосу. Один из примеров — когда Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить сильному взаимодействию связать кварки в протоны и нейтроны.
Доктор Лью утверждает, что топологические дефекты могли образоваться во время одного из этих фазовых переходов. Эти дефекты могут принимать форму компактных областей, похожих на оболочки, где плотность материи намного выше. При расположении в концентрических кольцах эти дефекты ведут себя как гравитация, но не имеют массы.
«В настоящее время неясно, какая именно форма фазового перехода во Вселенной может привести к топологическим дефектам такого рода», — говорит Лью. «Топологические эффекты — это очень компактные области пространства с очень высокой плотностью материи, обычно в форме линейных структур, известных как космические струны, хотя возможны и двумерные структуры, такие как сферические оболочки. Оболочки в моей статье состоят из тонкого внутреннего слоя положительной массы и тонкого внешнего слоя отрицательной массы; общая масса обоих слоев — а это все, что можно измерить по массе — равна нулю, но когда звезда лежит на этой оболочке, она испытывает большую гравитационную силу, тянущую ее к центру оболочки».
Итак, несмотря на нашу неспособность измерить массу, она есть, и другие объекты реагируют на нее. Масса деформирует пространство-время и влияет даже на безмассовые фотоны. Этот факт лежит в основе нашей способности использовать гравитационное линзирование. Мы используем массу скоплений галактик в гравитационном линзировании. Набор сферических оболочек, о которых говорит Лью, может вызвать тот же эффект.
«Гравитационное искривление света набором концентрических сингулярных оболочек, составляющих галактику или скопление, происходит из-за того, что луч света слегка отклоняется внутрь — то есть к центру крупномасштабной структуры или набора оболочек — при прохождении через одну оболочку», — отмечает Лью. «Суммарный эффект прохождения через множество оболочек — это конечное и измеримое полное отклонение, которое имитирует присутствие большого количества темной материи во многом так же, как скорость звездных орбит».
Поскольку астрономы измеряют массы галактик и скоплений галактик, измеряя отклоняемый ими свет и то, как он влияет на орбиту звезд, астрономы могут измерять топологические дефекты, а не частицы, из которых состоит темная материя.
«Как отклонение света, так и орбитальные скорости звезд — это единственные средства, с помощью которых можно измерить силу гравитационного поля в крупномасштабной структуре, будь то галактика или скопление галактик», — говорит доктор Лью. «Утверждение моей статьи заключается в том, что по крайней мере оболочки, которые она постулирует, не имеют массы. Тогда нет необходимости продолжать этот, казалось бы, бесконечный поиск темной материи».
В 2022 году исследователи обнаружили гигантскую дугу в небе. Она охватывает 1 гигапарсек и почти симметрична. Это одна из нескольких крупномасштабных структур, которая, похоже, противоречит Стандартной модели и Космологическому принципу, на котором она основана.
«Наблюдение гигантских дуг и колец может оказать дополнительную поддержку предлагаемой альтернативе модели DM», — пишет Лью в своей статье. Он также указывает, что предлагаемые им оболочки не обязательно должны быть полной сферой.
Если эти оболочки существуют, их выравнивание также будет управлять образованием и формой галактик и скоплений. Будущие исследования определят, как именно формируются эти оболочки. «Эта статья не пытается решить проблему формирования структур», — говорит Лью. Фактически, Лью признает, что в настоящее время нет способа даже наблюдать, как они могут формироваться.
«Спорным моментом является то, были ли оболочки изначально плоскостями или даже прямыми струнами, но угловой момент закручивает их. Существует также вопрос о том, как подтвердить или опровергнуть предлагаемые оболочки с помощью специальных наблюдений», — говорит Лью.
Опытный ученый Лью знает пределы своих предложений.
«Разумеется, наличие второго решения, даже если оно весьма наводящее на размышления, само по себе недостаточно для того, чтобы дискредитировать гипотезу темной материи — в лучшем случае это может быть интересным математическим упражнением», — заключает Лью. «Но это первое доказательство того, что гравитация может существовать без массы».
