Тёмная материя — это полтергейст природы. Мы можем наблюдать его эффекты, но не можем увидеть его и не знаем, что это такое. Природа как будто играет с нами, скрывая большую часть своей массы и запутывая нас в попытках определить, что это такое.
Всё это — часть проблемы «недостающей массы» Вселенной. На самом деле, это наша проблема. Вселенная просто существует. Проблема в нашем понимании Вселенной, а конкретно — массы и гравитации. И решение этой проблемы оказывается трудно найти.
Чем бы ни была эта недостающая масса или что бы ни вызывало наблюдаемые нами эффекты, у нас есть для неё условное название: тёмная материя. И она составляет 85 % материи во Вселенной.
Может ли тёмная материя быть первозданными чёрными дырами? Может быть, это аксионы? А может, WIMPы? Являются ли тёмные фотоны переносчиками её взаимодействий? Теоретических размышлений много, но выводов нет.
Новое исследование, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, говорит о том, что наша охота за тёмной материей может сбиться с пути. Вместо того чтобы искать тип частицы, решение может заключаться в топологическом дефекте, который встречается во Вселенной и уходит корнями в раннюю стадию её развития.
Новое исследование представлено в статье под названием «Связывание космологических структур безмассовыми топологическими дефектами«. Автор работы — Ричард Лью, заслуженный профессор физики и астрономии из Университета Алабамы в Хантсвилле.
Как ясно из названия статьи, тёмная материя оказывает скрепляющее воздействие на такие структуры, как галактики. Астрономы знают, что массы видимой материи в галактиках недостаточно для того, чтобы они не разваливались. Если бы в них была только видимая материя, они должны были бы просто рассеяться на составляющие их звёзды и облака газа.
Но галактики не рассеиваются, и учёные пришли к выводу, что чего-то не хватает. У профессора Льеу есть ещё одна идея.
«Меня самого вдохновило стремление найти другое решение уравнений гравитационного поля общей теории относительности, упрощённая версия которого, применимая к условиям галактик и скоплений галактик, известна как уравнение Пуассона — оно даёт конечную силу тяготения при отсутствии какой-либо обнаруживаемой массы», — говорит Льеу. «Эта инициатива, в свою очередь, вызвана моим недовольством существующим положением вещей, а именно представлением о существовании тёмной материи, несмотря на отсутствие каких-либо прямых тому доказательств в течение целого столетия».
Целый век — это большой срок в век современной науки. Неудивительно, что природа способна поставить нас в тупик, но несколько удивительно, что в решении этой проблемы достигнут очень незначительный прогресс. Учёные добились большого прогресса в понимании того, как тёмная материя влияет на крупномасштабную структуру Вселенной, что является впечатляющим достижением, но так и не выяснили, что же это такое.
«Природа тёмной материи (ТМ), определяемой в этой работе как неизвестный компонент космического субстрата, ответственный за дополнительное гравитационное поле, связывающее галактики и скопления галактик, остаётся загадкой уже более века», — пишет доктор Льеу в своей работе.
В своей работе Льеу опирается на фазовые переходы во Вселенной. Это эпизоды, когда состояние материи во Вселенной меняется. Причём не локально, а во всём космосе. Один из примеров — когда Вселенная охладилась настолько, что сильная сила смогла связать кварки в протоны и нейтроны.
Доктор Льеу утверждает, что во время одного из таких фазовых переходов могли образоваться топологические дефекты. Эти дефекты могут иметь форму похожих на оболочки компактных областей, где плотность материи намного выше. Выстраиваясь в концентрические кольца, эти дефекты ведут себя подобно гравитации, но не обладают массой.
«В настоящее время неясно, какая именно форма фазового перехода во Вселенной может привести к появлению топологических дефектов такого рода», — говорит Льеу. «Топологические эффекты — это очень компактные области пространства с очень высокой плотностью материи, обычно в виде линейных структур, известных как космические струны, хотя возможны и двумерные структуры, такие как сферические оболочки. Оболочки в моей работе состоят из тонкого внутреннего слоя с положительной массой и тонкого внешнего слоя с отрицательной массой; общая масса обоих слоёв — а это всё, что можно измерить с точки зрения массы, — равна нулю, но когда звезда ложится на эту оболочку, она испытывает большую гравитационную силу, притягивающую её к центру оболочки».
Итак, несмотря на то, что мы не можем измерить массу, она есть, и другие объекты реагируют на неё. Масса искривляет пространство-время и влияет даже на безмассовые фотоны. Этот факт лежит в основе нашей способности использовать гравитационное линзирование. В гравитационном линзировании мы используем массу скоплений галактик. Набор сферических оболочек, о которых говорит Лье, может вызвать тот же эффект.
«Гравитационное изгибание света набором концентрических сингулярных оболочек, составляющих галактику или скопление, связано с тем, что луч света отклоняется немного внутрь — то есть к центру крупномасштабной структуры или набора оболочек — когда он проходит через одну оболочку», — отмечает Лью. «Суммарный эффект прохождения через множество оболочек — это конечное и измеримое общее отклонение, которое имитирует присутствие большого количества тёмной материи примерно так же, как скорость движения звёздных орбит».
Поскольку астрономы измеряют массы галактик и скоплений галактик, измеряя отклонения света и то, как они влияют на орбиты звёзд, астрономы могут измерять топологические дефекты, а не частицы, составляющие тёмную материю.
«Отклонение света и орбитальные скорости звёзд — это единственные средства, с помощью которых можно измерить силу гравитационного поля в крупномасштабной структуре, будь то галактика или скопление галактик», — говорит доктор Льеу. «Утверждение моей работы состоит в том, что, по крайней мере, оболочки, о которых в ней говорится, являются безмассовыми. Тогда нет необходимости продолжать эти, казалось бы, бесконечные поиски тёмной материи».
В 2022 году исследователи обнаружили в небе гигантскую дугу. Она простирается на 1 гигапарсек и почти симметрична. Это одна из нескольких крупномасштабных структур, которая, похоже, противоречит Стандартной модели и основанному на ней космологическому принципу.
«Наблюдение гигантских дуг и колец может оказать дополнительную поддержку предложенной альтернативе модели ТМ», — пишет Льеу в своей статье. Он также отмечает, что предлагаемые им оболочки не обязательно должны быть полной сферой.
Если такие оболочки существуют, то их выравнивание также будет определять формирование и форму галактик и скоплений. Будущие исследования позволят выяснить, как именно формируются эти оболочки. «Эта работа не пытается решить проблему формирования структуры», — говорит Льеу. Более того, Льеу признаёт, что в настоящее время нет возможности даже наблюдать, как они могут формироваться.
«Спорным моментом является то, были ли оболочки изначально плоскостями или даже прямыми струнами, но угловой момент закручивал их. Также возникает вопрос, как подтвердить или опровергнуть предполагаемые оболочки с помощью специальных наблюдений», — говорит Льеу.
Будучи опытным учёным, Льеу представляет ограничения своих предположений.
«Конечно, наличие второго решения, даже если оно весьма наводит на размышления, само по себе не является достаточным для дискредитации гипотезы о тёмной материи — в лучшем случае это может быть интересным математическим упражнением», — заключает Лье. «Но это первое доказательство того, что гравитация может существовать без массы».
