Безмассовое объяснение тёмной материи или свет в гравитационной скорлупке
Ранее я уже затрагивал на Хабре различные гипотезы о природе тёмной материи и тёмной энергии. Поскольку тёмная материя не взаимодействует ни с одним известным типом «нетёмной» (барионной) материи, а также со светом, её с тем же успехом можно назвать «прозрачной» материей. Феномен тёмной материи «на кончике пера» впервые предложил в начале 1930-х немецкий физик Фриц Цвикки. В настоящее время известно, что никакие известные частицы-барионы тёмную материю не образуют. Таким образом, тёмная материя обнаружима только по гравитационному воздействию на окружающую барионную материю, в особенности на галактики. Предполагается, что именно в центрах галактик тёмной материи почти нет, а на периферии галактик она образует целые облака или «гало». На Хабре неоднократно публиковались материалы как о возможных составляющих тёмной материи, так и обоснования, что никакой тёмной материи не существует, и мы продолжаем «дорисовывать» её, поскольку до сих пор не вполне понимаем природу гравитации.
В этой статье я подробнее изложу идеи, ранее сформулированные в данной новости от уважаемого @SLY_G В основу статьи легли исследования Ричарда Лью, астронома из Хантсвиллского университета, штата Алабама.
Идея тёмной материи тесно связана с феноменом скрытой массы, который стал очевиден в самом начале 1930-х, вскоре после того, как Эдвин Хаббл открыл, что галактики не являются туманностями. Изначально масса галактик и их скорости рассчитывались исходя из того, что галактики состоят из звёзд (звёздных систем) и межзвёздного газа. Тем не менее, вскоре стало понятно, что в каждой отдельной галактике совокупного звёздного населения явно недостаточно, чтобы объяснить происхождение массы галактик. Иными словами, галактики оказались слишком тяжёлыми. Впервые на такую тяжеловесность галактик указал знаменитый голландский астроном Ян Оорт, сформулировавший идею о скрытой массе. Именно в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, а в 1931 году Поль Дирак предположил, что может существовать антивещество, а в том же 1932 году американский учёный Карл Андерсон открыл в космических лучах позитроны. Это частицы, близкие по массе к электрону, но имеющие положительный заряд и состоящие из антивещества. Таким образом, идея скрытой материи и, соответственно, скрытой массы у этой материи, не просто витала в воздухе — казалось, что эту материю «постепенно открывают». В течение XX века на роль носителя скрытой массы предлагались неучтённые нейтрино, а также всевозможные экзотические варианты: чёрные дыры, ранее не известные частицы симметроны, предусматриваемые теорией суперсимметрии, аксионы, страпельки, WIMP-частицы и пр. Тем не менее, все эти идеи не выдерживают критики. Судя по гравитации, тёмной материи попросту слишком много, чтобы сложить её из подобных составляющих, которых хватило бы на считанные проценты от недостающей массы. Именно поэтому постепенно стал накапливаться корпус исследований и гипотез, предполагающих, что у гравитации может быть иной источник, нежели привычная нам материя.
Что такое гравитация
Ответ на этот вопрос отделяет нас от заполнения величайшего пробела в современной физике — от «теории всего». Таковой могла бы считаться теория, которая позволяла бы унифицировать гравитацию и квантовую физику. Притом, что гравитация (тяготение) является одним из четырёх фундаментальных взаимодействий, наряду с электромагнетизмом, сильным и слабым взаимодействием, пока она не вписывается в квантовую теорию. В частности, пока не известен квант гравитации, то есть, частица, являющаяся её переносчиком. Теория корпускулярно-волнового дуализма предполагает, что на квантовом уровне любая частица может проявлять себя как волна, а любая волна точечно проявляется как частица. В 2015 году были впервые зафиксированы гравитационные волны, которые, как теперь известно, могут возникать при столкновениях между чёрными дырами и между нейтронными звёздами. Согласно современным представлениям, и у этого взаимодействия должен быть переносчик, на роль которого подходит гравитон, гипотетическая элементарная частица гравитации. Существует гипотеза, что тёмная материя может состоять из гравитонов, , но пока она остаётся непроверяемой и нефальсифицируемой.
Это формула закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном. Здесь F — сила притяжения, G — гравитационная постоянная, m1 и m2 — массы двух тел, R — расстояние между телами. Соответственно, гравитация — это сила, подтягивающая друг к другу объекты, обладающие положительной массой. Насколько известно, тел с отрицательной массой не существует, хотя умозрительные эксперименты с отрицательной массой очень интересны, недавно я упоминал о них в одной из статей.
Тем не менее, гравитация не только воздействует на обладающие массой частицы, но и вызывает отклонение света. Фотоны, из которых состоит свет — безмассовые частицы, однако поблизости от крупных объектов свет движется по искривлённой траектории. В результате такого искривления возникает эффект гравитационного линзирования, о котором мы подробнее поговорим ниже. Именно за изучением гравитационного линзирования Ричард Лью пришёл к выводу, что гравитация также может быть безмассовой.
Кратко о гравитационном линзировании
Одним из важнейших подтверждений теории относительности Эйнштейна является искривление пространства-времени поблизости от массивного объекта, которое можно зафиксировать по искривлению света. Такой эффект приводит к гравитационному линзированию. Гравитационное линзирование визуально «приближает» к нам очень далёкие области пространства, поэтому играет важную роль в работе космических телескопов.
Выделяют два типа гравитационного линзирования: сильное и слабое. Сильное гравитационное линзирование проявляется, когда массивный объект проходит между источником света и наблюдателем. В качестве такого массивного объекта может выступать галактическое скопление или чёрная дыра, поэтому метод гравитационного линзирования удобен для поиска чёрных дыр. В данном случае свет искривляется настолько сильно и многократно, что вокруг наблюдаемого объекта возникает несколько ярких дуг или даже колец. Такое явление называется «кольцами Эйнштейна». Слабое гравитационное линзирование — аналогичный процесс, но в данном случае объект, проходящий между источником света и наблюдателем, сравнительно невелик. В таком случае наблюдаемый объект визуально искажается или, наоборот, становится резче, что и используется в астрономии.
Гравитационное линзирование применяется при изучении эволюции галактик, свойств чёрных дыр, при измерении скорости расширения Вселенной. Также этот метод призван уточнить распределение тёмной материи. Ричард Лью обратил внимание именно на последний аспект и предположил, что на больших расстояниях гравитационное линзирование может возникать под действием лишь энергии и импульса, но без участия массы. Эта идея изложена в статье «Связывание космологических структур под действием безмассовых топологических дефектов», опубликованной Лью и его соавторами в мае 2024 года.
Известно, что пространство как таковое обладает энергией, вызывающей расширение Вселенной. Источник этой энергии точно не известен, но правдоподобно, что она возникает в результате квантовых флуктуаций и рождения пар элементарных частиц. Свет также обладает энергией и импульсом, поэтому, распространяясь в пространстве, также способствует искривлению пространства-времени.
Гравитация в скорлупке
Группа под руководством Лью пришла к выводу, что источником «избыточной» гравитации, которая позволяет галактикам образовывать скопления, могут быть концентрические топологические дефекты, распределённые в космическом пространстве и напоминающие по форме скорлупки. Такие дефекты вакуума могли бы возникнуть на самых ранних этапах формирования Вселенной, и на их внутренней поверхности действовала бы отрицательная гравитация, а на внешней — положительная. В результате они получались бы безмассовыми, но при этом оказывали именно такое гравитационное воздействие, которое приписывается тёмной материи. Более того, их воздействие было бы измеримым только в космологических масштабах и в таких объёмах пространства, где укладываются целые галактики или галактические скопления.
Привести к возникновению таких скорлупок мог бы резкий фазовый переход, природу или причину которого Лью объяснить затрудняется. По его словам, «в настоящее время неизвестно, какой именно фазовый переход мог бы привести к возникновению топологических дефектов такого рода. Но плотность их должна быть очень велика, и они могут сближаться по свойствам с космическими струнами». Таким образом, модель Лью — это расширение одномерной струны до двумерной полусферы. Если на месте яйца с вышеприведённой иллюстрации находилась звезда, то она испытывала бы гравитационное воздействие, несмотря на то, что масса самой полусферы строго равна нулю.
Попытки объяснения и экспериментальной проверки
Гипотеза Лью привлекательна тем, что полностью устраняет проблему тёмной материи как несуществующую, устраняет необходимость поиска тех частиц, из которых тёмная материя могла бы состоять. Более того, эта гипотеза также согласуется с теорией струн и, можно сказать, расширяет её — Лью полагает, что предложенные им дефекты могли бы возникать в результате переплетения космических струн из линейных структур в объёмные. Но, во-первых, космическая струна пока не может быть получена в лаборатории (возможно, дело в том, что для этой цели просто слишком малы те уровни энергии, которыми мы оперируем), космические струны не обнаружены в природе. Правда, в одной из новостей уважаемого @SLY_G на Хабре, описывающей работу Марины Сафоновой из Индийского института астрофизики упоминается, что космическая струна могла быть впервые зафиксирована в 2023 году. Во-вторых, сложно объяснить, почему такие структуры вообще могли возникнуть и сохраниться до наших дней, а также как могло бы выглядеть их разглаживание или схлопывание.
В качестве проверки своей гипотезы Лью предлагает тщательнее изучить рисунок искривления света вблизи от крупного объекта. Он полагает, что свет может не просто искривляться, но и измеримо соскальзывать к донышку такого топологического дефекта, либо огибать его по параболе. Если бы такой эффект удалось наблюдать в присутствии тяжеловесного объекта (например, нейтронной звезды), а затем и в отсутствии какого-либо источника тяготения, то во втором случае это означало бы, что мы нашли пока пустующую «скорлупку», на внутренней поверхности которой наблюдается отрицательная масса. Кроме того, гипотезу можно было бы проверить, наблюдая, как именно образуется новое галактическое скопление, следуют ли галактики по концентрическим траекториям, напоминающим распределение по внутренней поверхности чаши.
Заключение
На данном этапе гипотеза Лью даёт один очень простой и привлекательный ответ на вопрос «как решить проблему тёмной материи?», но порождает слишком много вопросов. На сайте Ifscience решение Лью даже сравнили с птолемеевскими эпициклами, то есть, с грандиозным костылём космологического масштаба. Сам же Лью в одном из интервью осторожно называет свою теорию «интересным математическим упражнением» —, а именно так на первых порах высказывался о гелиоцентрической системе мира Николай Коперник. В любом случае, проблема необнаружимости тёмной материи требует решения, и вариант Лью показался мне достаточно изящным.
