[Перевод] Спросите Итана: может ли тёмная материя состоять не из частиц?

Хотя большая часть тёмной материи в Галактике существует в огромном гало, окутывающем нас, каждая отдельная частица ТМ движется по эллиптической орбите под воздействием гравитации. Если частицы ТМ являются античастицами сами себе, и мы придумаем, как их запрячь – они могут стать идеальным источником энергии.

Всё, что мы когда-либо находили во Вселенной, от материи до излучения, можно разбить на мельчайшие составляющие. Всё в этом мире состоит из атомов, которые состоят из ядер и электронов, а ядра состоят из кварков и глюонов. Свет тоже состоит из частиц – фотонов. Даже гравитационные волны, теоретически, состоят из гравитонов: частиц, которые однажды мы сможем получить и зарегистрировать. А что насчёт тёмной материи? Непрямые свидетельства её существования неоспоримы и ошеломляющи, но обязательно ли она должна состоять из частиц? Именно об этом спрашивает нас читатель:

Если тёмную энергию можно определить, как энергию, присущую ткани пространства, может ли быть так, что то, что мы воспринимаем, как «тёмная материя», также является неотъемлемой функцией пространства – сильно или слабо связанной с тёмной энергией? То есть, вместо того, чтобы ТМ состояла из частиц, не может ли она пронизывать всё пространство гравитационными эффектами (однородными или неоднородными), которые могут объяснить наши наблюдения – что-то вроде «тёмной массы»?

Давайте посмотрим на свидетельства и увидим, что они говорят нам о существующих возможностях.


Расширение (или сжатие) пространства – необходимое следствие Вселенной, содержащей массу. Но скорость расширения и изменение его во времени количественно зависит от содержимого Вселенной.

Одним из наиболее примечательных свойств Вселенной является прямая связь между её содержанием и изменением скорости расширения во времени. Путём множества тщательных измерений различных отдельных источников информации – звёзд, галактик, сверхновых, реликтового излучения, крупномасштабных структур Вселенной – мы смогли измерить обе эти величины и определить состав Вселенной. В принципе, мы могли бы представить себе целый набор всего, из чего могла бы состоять наша Вселенная – но все эти вещи по-разному влияли бы на космическое расширение.

Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной и время их возможного доминирования. Если бы космические струны и стены доменов существовали в каком-то ощутимом количестве, они бы вносили существенный вклад в расширение Вселенной.

Благодаря полному набору данных на сегодня нам известно, из чего состоит Вселенная:

• 68% — тёмная энергия, плотность которой сохраняется с расширением пространства;
• 27% — тёмная материя, оказывающая гравитационное воздействие, с плотностью, уменьшающейся с увеличением объёма, не взаимодействующая, насколько можно судить по измерениям, путём каких-то других взаимодействий;
• 4,9% — нормальная материя, испытывающая все физические взаимодействия, с плотностью, уменьшающейся с увеличением объёма, комкующаяся, и состоящая из частиц;
• 0,1% — нейтрино, подвержены гравитационному и слабому ядерному взаимодействию, состоят из частиц, комкуются, только если замедлятся достаточно для того, чтобы вести себя как материя, а не как излучение;
• 0,01% фотоны, испытывающие гравитационное и электромагнитное взаимодействие, ведущие себя, как излучение; с увеличением объёма их плотность уменьшается, а длина волны растягивается.

Со временем важность этих различных компонентов менялась, и указанные проценты представляют сегодняшнюю Вселенную.

График видимой скорости расширения (ось y) относительно расстояния (ось x) соответствует Вселенной, которая в прошлом расширялась быстрее, но расширяется и сегодня. Это современная версия графика, простирающаяся в тысячи раз дальше, чем первичная работа Хаббла. Различные кривые соответствуют разным возможным составам вселенной.

Исходя из наилучших наших измерений, тёмная энергия имеет одни и те же свойства в разных регионах Вселенной, по всем направлениям в небе и во все моменты космической истории. Иначе говоря, тёмная энергия выглядит гомогенной и изотропной: она одинакова везде и всегда. Насколько нам известно, тёмной энергии не обязательно состоять из частиц; это может быть просто свойство, присущее самой ткани пространства.

Однако тёмная материя отличается от неё фундаментально.

На крупнейших масштабах наблюдаемое скопление галактик (синий и фиолетовый) не удаётся воспроизвести в симуляциях (красный) без использования тёмной материи

Для формирования наблюдаемых нами структур Вселенной, особенно на крупнейших, космических масштабах, тёмная материя должна не просто существовать, но и иметь возможность комковаться. Она не может иметь одинаковую плотность во всех местах пространства; она должна концентрироваться в регионах повышенной плотности и быть разреженной или просто отсутствовать в регионах пониженной плотности. Мы можем с точностью сказать, сколько ТМ содержится в различных регионах пространства, проведя различные наблюдения. И вот три самых важных наблюдения.

Данные по крупномасштабным скоплениям (точки) и предсказания, основанные на Вселенной, содержащей 85% тёмной материи и 15% нормальной материи (сплошная линия) совпадают невероятно точно. Кривизна линии говорит о температуре ТМ; степень отклонения характеризует соотношение тёмной и обычной материи.

1) Спектральная плотность материи: необходимо установить расположение материи во Вселенной, посмотреть, на каких масштабах видна корреляция галактик – мера вероятности наличия галактик на определённом расстоянии от выбранной – и разметить всё это. Если бы Вселенная состояла из однородной материи, получившаяся структура была бы смазанной. Если бы во Вселенной ТМ не комковалась в самом начале развития, структура на мелких масштабах была бы уничтожена. Спектральная плотность материи говорит нам о том, что примерно 85% материи во Вселенной относится к ТМ, совершенно отличной от протонов, нейтронов и электронов, и эта ТМ появилась холодной, или с малой кинетической энергией по сравнению с её массой покоя.

Распределение массы в скоплении галактик Abell 370 воссозданное через гравитационное линзирование, демонстрирует два больших и рассеянных гало массы, соответствующих двум сливающимся скоплениям ТМ. Вокруг и по всему объёму каждой галактики, каждого скопления и массивных скоплений материи существует в среднем в 5 раз больше ТМ.

2) Гравитационное линзирование. Если взглянуть на массивный объект, типа квазара, галактики или скопления галактик, станет видно, как его присутствие искажает свет находящихся за ним объектов. Поскольку нам известны законы гравитации, управляемые Эйнштейновской ОТО, на основании искривления света мы можем подсчитать количество массы, присутствующей в каждом объекте. Благодаря целому набору различных методов, мы можем определить количество массы, имеющейся в нормальной материи: звёздах, газе, пыли, чёрных дырах, плазме, и т.п. И опять-таки мы находим, что в среднем 85% материи должно относиться к ТМ, и более того, что ТМ распределяется более рассеянным, похожим на облака образом, в отличие от плотной нормальной материи. Это подтверждается как слабым, так и сильным линзированием.

Структура всплесков реликтового излучения меняется в зависимости от содержимого Вселенной

3) Реликтовое излучение. Если изучить остаточное свечение излучения, оставшегося от Большого взрыва, то можно обнаружить, что оно примерно равномерное: 2,725 К по всем направлениям. Если углубиться в детали, станет видно, что в нём есть крохотные несовершенства порядка десятков и сотен мкК на всяческих угловых масштабах. Эти флуктуации сообщают нам множество важных вещей, включая соотношение плотностей нормальной материи, тёмной материи и тёмной энергии, но самое главное, о чём они говорят – это насколько однородной была Вселенная в возрасте 0,003% от текущего, и тогда самые плотные её участки были всего на 0,01% плотнее наименее плотных. Иначе говоря, тёмная материя началась совершенно равномерной, и со временем комковалась!

Подробное изучение Вселенной говорит о том, что она состоит из материи, но не из антиматерии; что тёмная материя и тёмная энергия обязательно должны в ней присутствовать, и что источники этих загадочных субстанций нам неизвестны. Однако флуктуации реликтового излучения, формирование и корреляция между крупномасштабными структурами и современные наблюдения гравитационного линзирования – всё это сходится на одной и той же картине.

Собрав всё это вместе, мы приходим к заключению, что ТМ обязана вести себя как жидкость, пронизывающая Вселенную. У этой жидкости пренебрежимо малое давление и вязкость, она реагирует на давление излучения, она не сталкивается с фотонами или нормальной материей, она зародилась холодной и нерелятивистской, и она комкуется вместе под воздействием собственной гравитации. Она управляет формированием структур Вселенной на крупнейших масштабах. Она чрезвычайно негомогенна, и величина её неоднородности со временем увеличивается.

Вот, что мы можем сказать об этом на крупнейших масштабах – там, где имеются наблюдения. На мелких масштабах мы подозреваем – но не уверены – что тёмная материя состоит из частиц с такими свойствами, которые заставляют её вести себя на крупных масштабах так, как это происходит. Мы предполагаем это потому, что Вселенная, насколько нам известно, состоит просто из частиц, и всё тут! Если это материя, если у неё есть масса, то у неё есть и квантовый двойник – и на каком-то уровне это должны быть частицы. Но пока мы напрямую не обнаружим эту частицу, у нас нет способа отвергнуть другую возможность – что ТМ является неким полем, ведущим себя, как жидкость, но влияющим на пространство-время так же, как это делают скопления частиц.

Экспериментальные ограничения на тёмную материю, состоящую из вимпов, крайне строги. Самая нижняя кривая исключает поперечные сечения и массы ТМ для всего, что расположено сверху от неё

Поэтому так важны попытки прямого обнаружения ТМ! Я, как теоретик, писавший свою докторскую по теме формирования крупномасштабных структур, прекрасно понимаю, что мы можем совершить очень многое в области предсказания наблюдений на крупных масштабах. Но чего мы не можем сделать теоретически, так это утверждать, состоит ли ТМ из частиц, или нет. Единственный способ это проверить – обнаружить её напрямую; без этого можно собрать убедительные непрямые доказательства, но они не будут неопровержимыми. Она, судя по всему, никак не связана с тёмной энергией, поскольку последняя истинно равномерна во всём пространстве, и предсказания довольно точно говорят нам о том, как она взаимодействует через гравитацию и другие взаимодействия на крупных масштабах.

Потоки тёмной материи управляют скапливанием галактик и формированием крупномасштабных структур – это видно в этой симуляции от KIPAC/Stanford

Но состоит ли она из частиц? Пока мы не обнаружим эту частицу, об этом можно лишь предполагать. Вселенная демонстрирует свою квантовую сущность, по крайней мере, для всех типов материи, поэтому логично предположить, что такой же будет и тёмная материя. Однако следует помнить, что у таких рассуждений есть свои ограничения. Ведь, в конце концов, всё и везде подчиняется одним и тем же правилам, но только до тех пор, пока не перестаёт им подчиняться! С ТМ мы находимся на неизведанной территории, и очень важно сохранять скромность перед лицом великих загадок Вселенной.