Космические дефекты и тёмная материя

Сегодня в 11:00 Прокомментировать Просмотры: 0

На первый взгляд Вселенная поражает своей стройностью. Гравитация удерживает планеты на их орбитах, атомы подчиняются хорошо изученным законам, а свет в отдалённых галактиках ведёт себя ровно так же, как в земных лабораториях. Так и хочется вообразить, что Большой взрыв просто нажал кнопку «включить», задал законы физики и отошёл в сторону, предоставив космическому механизму работать без вмешательства. Однако на деле порядка во Вселенной гораздо меньше, чем кажется, и это к лучшему.

Будь материя распределена совершенно равномерно, гравитации попросту не на чем было бы «сосредоточиться»: в ней не нашлось бы плотных участков, которые можно сжимать дальше. Не возникло бы ни галактик, ни звёзд, ни планет. Вселенная превратилась бы в невероятно унылое место, где к тому же некому было бы эту унылость оценить.

Согласно господствующей космологической модели, крошечные первичные квантовые флуктуации со временем разрослись в гигантскую космическую паутину, которую мы наблюдаем сегодня. Инфляция — гипотетическая стадия стремительнейшего расширения — могла растянуть эти флуктуации до астрономических масштабов, после чего гравитация миллиарды лет усиливала возникшие различия.

Эта история о космическом несовершенстве хорошо известна. Но, возможно, существовал и другой его вид — заложенный не в распределении вещества, а в самих фундаментальных полях.

Подобные гипотетические «шероховатости» называют топологическими дефектами. Они могут быть отголосками перестроек, которые происходили, когда Вселенная была немыслимо юной. Часть таких дефектов, вероятно, дожила до наших дней, а один из самых причудливых их видов способен даже пролить свет на природу тёмной материи.

Он носит название «вортон». Это слово звучит как имя злодея из фантастического фильма, но на самом деле является вполне серьёзным физическим термином. И, как вы вскоре убедитесь, его происхождение весьма впечатляет.

Когда физике пришлось определяться

Вернёмся в раннюю Вселенную — эпоху, когда температуры и энергии намного превосходили всё, что мы (пока) способны воспроизвести. Взаимодействия, которые сегодня кажутся независимыми, тогда, возможно, составляли единое целое. Так, нам уже известно, что электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие объединяются в рамках электрослабой теории. Более смелые гипотезы допускают ещё более глубокое единство.

По мере расширения и остывания Вселенной её фундаментальные поля могли переживать фазовые переходы — смену предпочтительных конфигураций. Самый привычный пример подобного перехода — замерзание воды, но суть главной идеи лучше передаёт карандаш, поставленный вертикально на острие.

Пока он балансирует, ни одно горизонтальное направление не выделено. Поверните стол — ничего не изменится. Но стоит карандашу упасть, как он непременно укажет в какую-то определённую сторону. Подошло бы любое направление, но «выигрывает» лишь одно.

Примерно так и устроено спонтанное нарушение симметрии: законы могут оставаться симметричными, даже если состояние, в которое приходит система, этой симметрией не обладает.

Теперь представьте миллион карандашей, расставленных на огромном столе. Встряхните его — упадут все, но каждый по-своему. Разные группы карандашей найдут устойчивое положение по-разному, и согласовать эти группы между собой будет непросто.

Нечто подобное, вероятно, происходило и на ранних этапах развития Вселенной. Удалённые друг от друга области не всегда могли «договориться», какую конфигурацию вакуума примут их поля. Когда такие области приходили в соприкосновение, несовместимые конфигурации могли оставлять после себя необычные структуры.

Речь не идёт о буквальных «трещинах в пространстве-времени» или о местах, где перестают действовать законы физики. Это должны быть устойчивые или долгоживущие конфигурации полей, хранящие отпечаток более раннего фазового перехода.

Иными словами, Вселенная могла сменить своё состояние, не успев согласовать между собой все мельчайшие детали.

Точки, струны и стенки

Форма дефекта определяется физическими процессами, которые привели к его появлению. Теоретически выделяют три классических типа: магнитные монополи, космические струны и доменные стенки.

Магнитные монополи — точечные дефекты. У обычного магнита всегда есть северный и южный полюса: разрежьте его пополам — и получите два магнита поменьше. Монополь же, если бы он существовал, нёс бы обособленный магнитный заряд. Ряд теорий великого объединения предсказывает такие объекты — потенциально чрезвычайно массивные и сосредоточенные в крошечных областях.

Космические струны — дефекты линейные. Не стоит путать их с фундаментальными струнами из небезызвестной теории струн: похоже, у физиков-теоретиков просто иссякла фантазия на названия. Космическая струна может быть тоньше атомного ядра, но при этом обладать колоссальной энергией на единицу длины. Некоторые из них способны тянуться на астрономические расстояния, искривлять свет силой своей гравитации и порождать гравитационные волны при колебаниях.

Доменные стенки — дефекты поверхностные, разделяющие области с разными конфигурациями вакуума. Вообразите гигантскую границу, рассекающую пространство на зоны, где поля «улеглись» по-разному. Устойчивая сеть достаточно энергичных стенок могла бы определять ход космической эволюции и вызывать эффекты, несовместимые с астрономическими наблюдениями.

Все три варианта возникают лишь в определённых теоретических моделях. Нет подтверждений тому, что соответствующие переходы действительно происходили или что хоть один из этих дефектов в самом деле образовался. И всё же эти модели ставят перед нами любопытную загадку: если подобные структуры существовали в ранней Вселенной, что с ними случилось?

Почему узлы так трудно распутать

Слово «топологический» применительно к дефектам объясняет, откуда берётся их упорство.

Представьте кофейную чашку и пончик. Выглядят они по-разному, но у каждого ровно одно отверстие. Если бы оба были вылеплены из бесконечно податливой глины, любой можно было бы превратить в другой, не разрывая и не заделывая отверстие. С шаром всё иначе: чтобы получить его из пончика, придётся изменить топологию.

Квантовые поля могут сталкиваться с похожими ограничениями. Их возможные состояния способны закручиваться вокруг дефекта так, что плавно «распутать» их невозможно, пока окружающее поле остаётся в обычном вакууме.

Это напоминает узел на верёвке, концы которой замкнуты в петлю. Тяните, скручивайте, сжимайте — узел всё равно останется. Чтобы избавиться от него, верёвку нужно перерезать или допустить иное изменение, недостижимое обычными манипуляциями.

Подобная «защита» позволяет дефекту существовать ещё долго после того, как исчезли экстремальные условия, породившие его. Вселенная вокруг остывает, возникают галактики, развиваются цивилизации, появляется интернет… А дефект тем временем продолжает заниматься своими древними делами.

Впрочем, топологическая защита ещё не означает абсолютного бессмертия. Монополь может аннигилировать с антимонополем. Космические струны способны пересекаться и воссоединяться, отчего образуются оторвавшиеся петли. Те колеблются, теряют энергию в виде гравитационных волн, а порой и излучения частиц, и в конце концов могут исчезнуть.

Если бы такие процессы происходили часто, они могли бы оставить следы, доступные современным телескопам и детекторам. И вот тут загадка становится ещё занятнее.

Отсутствие доказательств — ещё не доказательство отсутствия

Космические струны было бы нелегко спрятать, будь их достаточно много и обладай они достаточной энергией. Их гравитация могла бы создавать гравитационное линзирование особого рода. Если достаточно прямая струна окажется между Землёй и далёкой галактикой, мы увидели бы два похожих изображения этой галактики, разнесённых в стороны, — причём не так, как при обычном линзировании массивным объектом. Астрономы уже нашли множество гравитационных линз, но ни одна из них не продемонстрировала бесспорных признаков космической струны.

Выдать струны могли бы и гравитационные волны. Колеблющиеся петли должны порождать рябь в пространстве-времени, а огромное количество таких петель способно создавать фоновый сигнал.

LIGO и другие обсерватории регистрируют гравитационные волны от слияний компактных объектов. Системы хронометрирования пульсаров работают на значительно более низких частотах, используя пульсары как сверхточные часы. Коллаборация NANOGrav и другие проекты сообщили о свидетельствах низкочастотного гравитационно-волнового фона, однако его источник пока не установлен. Одно из ведущих объяснений — двойные системы сверхмассивных чёрных дыр, при этом вклад космических струн по-прежнему остаётся среди рассматриваемых вариантов. Так что Вселенная вовсе не безмолвна — просто мы пока не выяснили, кто именно шумит.

Поиски монополей оказались не более результативными. 14 февраля 1982 года физик Блас Кабрера зафиксировал необычный сигнал, который мог бы свидетельствовать о прохождении магнитного монополя через его детектор. Для физики элементарных частиц это был потрясающий подарок ко Дню святого Валентина. Увы, ни одного независимо подтверждённого случая после этого не последовало. Одного интригующего события для окончательных выводов недостаточно.

Положение усугубляется тем, что некоторые теории предсказывают слишком много монополей. Если бы все эти массивные объекты уцелели, их суммарная плотность категорически не вязалась бы с наблюдаемой Вселенной. Космологи называют это «проблемой монополей».

Итак, перед нами два взаимосвязанных вопроса. Почему мы не нашли предсказанных дефектов? И если некоторые из них всё-таки возникли, как Вселенной удалось избавиться от их влияния? Один из возможных ответов связан с растяжением космических масштабов.

Инфляция наводит порядок

Инфляция могла сделать ранее образовавшиеся дефекты чрезвычайно редкими в той области, которую мы способны наблюдать. Представьте, что вы нарисовали на воздушном шарике несколько точек, а затем раздули его до абсурдных размеров. Точки никуда не делись, но расстояния между ними неимоверно выросли. И на вашем крошечном участке поверхности теперь можно увидеть лишь одну точку — или ни одной.

Точно так же период экстремального космического расширения мог «разбавить» концентрацию монополей и прочих дефектов, возникших до него. Они, вероятно, всё ещё существуют где-то, просто не в нашей наблюдаемой окрестности. Решение элегантное, хотя сама инфляция остаётся скорее развивающейся теоретической моделью, чем окончательно устоявшимся описанием первых мгновений Вселенной.

Но есть и подвох: инфляция не способна стереть дефекты, появившиеся позже. Их судьба зависит от времени переходов и деталей лежащей в основе теории. Одни могут аннигилировать, другие — распасться, а третьи — сохраниться в формах, о которых мы пока даже не задумывались.

А что, если космическая струна вовсе не исчезла? Что, если она свернулась во что-то более компактное и странное, и теперь её гораздо труднее обнаружить?

«Вортон»: петля, которая живёт вечно

Обычные петли космических струн находятся под натяжением и стремятся сжаться, подобно растянутым резинкам. Колеблясь и излучая, они постепенно теряют энергию, которая поддерживает их форму.

Тем не менее некоторые теоретические модели допускают, что струны могут нести электрические или иные сохраняющиеся токи. Такие объекты часто называют сверхпроводящими космическими струнами, хотя речь идёт о явлениях, выходящих далеко за пределы сверхпроводников, применяемых в лабораторном оборудовании.

Теперь представьте, что подобная струна замкнулась в петлю. Натяжение тянет её внутрь, однако ток, сохраняющийся заряд и связанный с ними угловой момент могут противодействовать сжатию. По мере уменьшения петли баланс этих эффектов смещается, и в ряде моделей до полного исчезновения петли становится возможной устойчивая конфигурация. Результат и есть вортон — замкнутая петля космической струны, удерживаемая своими внутренними свойствами.

Это не просто крошечное кольцо, вращающееся так стремительно, что его удерживает центробежная сила. Предполагаемая устойчивость обусловлена динамикой сохраняющихся токов и зарядов внутри самой струны.

Вортон может заключать в себе колоссальную концентрацию энергии в компактной структуре. А поскольку его стабильность связана с сохраняющимися величинами, он способен существовать на протяжении космологических масштабов времени. По крайней мере, таково предположение. Никто и никогда не наблюдал вортонов. Одни математические модели допускают устойчивые или долгоживущие экземпляры, тогда как другие описывают петли, которые в итоге распадаются. Порождала ли ранняя Вселенная нужные типы струн, токов и петель — неизвестно.

Но допустим, что порождала. Во время фазового перехода сформировалась сеть космических струн. По мере движения и воссоединения от них отделялись петли. Многие исчезли вследствие излучения, а вот некоторые петли с током, напротив, превратились в стабильные вортоны. Заметные струны пропали, но осталась россыпь компактных реликтов. И это подводит нас к вопросу о недостающей массе Вселенной.

Могут ли вортоны быть тёмной материей?

Тёмная материя невидима для обычных телескопов, но её гравитационное влияние ощущается повсюду. Она помогает объяснить движение звёзд в галактиках, поведение скоплений галактик, формирование космических структур и гравитационное линзирование.

Что она собой представляет и из чего состоит, мы не знаем. Многие кандидаты — гипотетические частицы вроде аксионов или слабовзаимодействующих массивных частиц. Но тёмная материя не обязана состоять из обычных элементарных частиц: в принципе, вклад в невидимую массу могут вносить и компактные реликты.

У вортонов есть ряд любопытных свойств. Они могут быть массивными, компактными, древними и — в зависимости от своих характеристик — труднообнаружимыми напрямую. Достаточно многочисленная популяция могла бы гравитационно воздействовать на вещество и излучение, не испуская света. Однако у этой гипотезы есть серьёзные возражения.

Во-первых, вортоны должны были возникнуть. Во-вторых, им предстояло просуществовать достаточно долго. Их количество должно быть строго определённым: слишком малое не даст заметного эффекта, а слишком большое способно нарушить ход космической эволюции. Их возможные электрические заряды и прочие взаимодействия обязаны укладываться в наблюдательные ограничения. А их коллективное поведение должно согласовываться с детальными данными о том, как тёмная материя формировала Вселенную. Для гипотетической модели это весьма непростое испытание.

В некоторых моделях вортоны рассматриваются как кандидаты на роль тёмной материи, но нет никаких свидетельств того, что именно они составляют измеряемую нами тёмную материю. Да и обнаружение космических струн само по себе не станет автоматическим доказательством существования вортонов. И всё же эта возможность неожиданно связывает две загадки: исчезнувшие реликты фазовых переходов ранней Вселенной и недостающую гравитирующую массу в галактиках.

Возможно, часть первичных дефектов не исчезла. Возможно, они превратились в популяцию компактных уцелевших объектов, которые мы пытались распознать под другим именем.

Вселенная, созданная из несовершенств

Мы знаем, что крошечные первичные колебания плотности сыграли решающую роль в формировании галактик. Без этих ранних различий архитектура Вселенной не сложилась бы такой, какой мы её видим. Топологические дефекты — отдельный и гораздо более гипотетический вид несовершенств. Нам неизвестно, возникали ли во Вселенной космические струны, могут ли вортоны существовать в реальных условиях и связаны ли они с тёмной материей.

Но сама эта идея меняет наш взгляд на неизведанное. Возможно, недостающая масса Вселенной состоит не только из новых, ещё не открытых элементарных частиц. Возможно, часть её — это структуры, оставшиеся после древних перемен в фундаментальных полях. Не лишний ингредиент, добавленный в космический рецепт, а следы самого процесса готовки.

У Вселенной было почти четырнадцать миллиардов лет, чтобы сгладить свои шероховатости. Возможно, с этой задачей она справилась блестяще. И всё же некоторые из её древнейших неровностей могут существовать до сих пор, храня сведения об эпохе, которую нам не воссоздать.

И если вортоны окажутся реальными, одну из самых стойких загадок природы удастся объяснить через нечто удивительно беспорядочное — через несколько узлов, которые Вселенной так и не удалось распутать.

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надёжным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей SE7ENа мы предоставляем бонус 10% при первом пополнении.