Темная Вселенная. Часть 2
И вновь доброго времени суток! Данная статья является продолжением ранее опубликованной статьи о нашей «темной» Вселенной. В данной части мы продолжим рассмотрение различных интересных особенностей в космологии, над объяснением которых бьются множество ученых.
В целом я постарался сделать так, чтобы части получились независимые друг от друга, так что если вы не читали первую часть, то каких-то проблем с пониманием не должно возникнуть.
Отрицательная масса
После публикации первой части возникло много вопросов по поводу такой характеристики «темной жидкости» как отрицательная масса. Поэтому я решил остановиться на данной теме подробнее.
Впервые об отрицательной массе высказывался еще А. Эйнштейн. В 1918 году, комментируя введение космологической постоянной в ОТО, он сказал:
требуется модификация теории, чтобы «пустое пространство» принимало роль отрицательных масс, которые распределены по всему межзвездному пространству
На данный момент науке не известны частицы, которые бы обладали отрицательной массой. Но из теоретических исследований, проведенных учеными, вполне можно узнать о некоторых из ожидаемых свойств таких частиц. Например, что тело отрицательной массы будет иметь отрицательную инерцию. То есть при попытке его затормозить, оно будет, наоборот, разгоняться, а при попытке разогнать — тормозиться. Гравитационное взаимодействие частиц с противоположными массами в целом будет таким:
- Положительная масса притягивает как другие положительные массы, так и отрицательные массы.
- Отрицательная масса отталкивает как другие отрицательные массы, так и положительные массы.
С положительными массами все в принципе понятно — они будут притягиваться. Две отрицательные массы будут отталкиваться. А вот для масс с разными знаками присутствует интересный парадокс, с одной стороны положительная масса отталкивается от отрицательной массы, с другой — отрицательная масса притягивается к положительной. Следовательно два объекта равной и противоположной массы будут вызывать постоянное ускорение системы к объекту положительной массы — эффект так называемого «убегающего движения» (runaway motion).
Такая пара объектов будет ускоряться без ограничений (кроме релятивистского), хотя полная масса, импульс и энергия системы останутся равными нулю. Такое поведение совершенно не сочетается с нашим представлением об «обычной вселенной», и с известным взаимодействием положительных масс, но учеными было показано, что само по себе оно полностью математически состоятельно и непротиворечиво.
Помимо скептического отношения ввиду крайней необычности эффекта, более существенен тот факт, что если рассматривать нашу Вселенную как риманово многообразие с единственной метрикой, то такой эффект в ней становится невозможным. Но математики вполне допускают, что метрика может быть и не одна, и на данный момент уже предложены биметрические теории Вселенной, в которых введена дополнительная метрика, и в которых частицы с разнознаковыми массами отталкиваются. Это разрешает парадокс убегания, и делает существование отрицательной массы вполне законным.
Подытоживая, с точки зрения современной науки существование отрицательной массы представляется теоретически возможным, но экспериментальные подтверждения о её существовании на данный момент отсутствуют. Исследования в этом направлении ведутся — в 2017 году был пост на Хабре с новостью, что ученые якобы создали вещество со свойствами отрицательной массы, однако позднее эта новость была опровергнута.
Дипольный отталкиватель
Но вернемся к общему вектору повествования, в прошлой части статьи мы остановились на таком понятии, как дипольный отталкиватель.
В 1970-х годах при изучении реликтового излучения, были получены данные, которые свидетельствовали о том, что наша галактика и её соседи, составляющие так называемое «местное сверхскопление галактик» (оно же сверхскопление Девы), движутся со скоростью около 600 км/с в направлении созвездия Гидра. Учеными была высказана гипотеза, о существовании огромного скопления материи, находящегося на расстоянии около 60 Мпк, и ответственного за данное гравитационное воздействие. Данное гипотетическое скопление материи получило название »Великий аттрактор».
В то же время непосредственное изучение области, в которой предполагалось нахождение Великого аттрактора, затруднено тем, что она находится в так называемой «зоне избегания» — закрытой от наблюдения плоскостью Млечного пути с большим количеством звёзд и межзвёздной пыли — и из-за этого недоступной для прямых наблюдений. Однако при радионаблюдениях рентгеновских источников скопление вещества прослеживалось отчетливо.
Лишь к концу 1990-х годов ученые смогли обнаружить около 600 галактик в этом направлении. Согласно исследованию центр Великого Аттрактора находится в созвездии Наугольника. Он имеет массу порядка 1015 Mʘ, или около 10000 масс нашей Галактики.
В прилегающих к аттрактору областях обнаруживается массовое крупномасштабное движение галактик в его сторону. Хотя по сравнению с крупномасштабной структурой Вселенной — это все местные, локальные явления, и их существование не противоречит справедливости космологического принципа в больших масштабах.
На тот момент ученые решили, что проблема решена, но в 2005 году при подсчете масс было установлено, что Великий аттрактор имеет только 1/10 массы из изначально предполагавшейся, чего недостаточно для объяснения столь мощной гравитационной силы, действующей на наше сверхскопление.
Позднее ученые установили, что наше сверхскопление притягивается также сверхскоплением Персея-Рыб, и куда более массивным, по сравнению с уже озвученными, сверхскоплением Шепли. Но и их суммарного гравитационного воздействия оказалось недостаточно, чтобы полностью объяснить движение Млечного пути.
И в 2017 году ученые выдвинули гипотезу о так называемом «дипольном отталкивателе». Его расположение предполагается в соседнем войде (область с относительно небольшой звездной и галактической плотностью), который буквально отталкивает наше сверхскопление в сторону сверхскопления Шепли.
В силу только недавнего открытия, какие-либо достоверные сведения о природе дипольного отталкивателя пока отсутствуют, как вообщем-то и экспериментальные подтверждения его существования, например через воздействие на отдельные близлежащие галактики. Хотя, как я уже указывал в прошлой части статьи, и темная энергия, и темная жидкость обладают эффектом отталкивания, возможно где-то там и кроется разгадка данного феномена.
Тёмный поток
Помимо движения нашего сверхскопления к области Великого аттрактора зафиксировано свидетельство куда более глобального течения локальной Вселенной. Оно было открыто при анализе характера перемещений порядка 1400 скоплений. При этом это только часть потока, растянувшегося на 3 млрд. световых лет. Данное течение получило название »тёмный поток».
Существование столь глобального движения не согласуется с космологическим принципом, согласно которому движение групп галактик на больших масштабах должно быть беспорядочным и хаотичным.
На данный момент ученые не могут заглянуть далее, чем примерно 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала прозрачной. Это соответствует расстоянию около 46 млрд. световых лет. Однако исследования показали, что сила, вызывающая движение в этом направлении, находится за пределами этого диапазона, и, возможно, и за пределами нашей Вселенной.
По мнению ученых, возможная причина возникновения тёмного потока — воздействие массы, в настоящее время находящейся вне пределов видимой части Вселенной. Однако это объяснение спотыкается об уже указанный космологический принцип, согласно которому Вселенная также должна быть однородной и изотропной на больших масштабах. Да и теория Большого взрыва не допускает образования таких больших масс за такой малый срок.
Кроме этого существуют и более экзотические объяснения, например, что поток инициируется наличием параллельной вселенной, с которой на момент Большого Взрыва наша была сцеплена на квантовом уровне. Но пока эти объяснения и даже само существование «темного потока» единогласного признания не получили, и они, на настоящий момент, являются больше предметом для научных дискуссий.
Великие стены
Как уже говорилось, согласно космологическому принципу, на очень большом масштабе наблюдений Вселенная должна быть однородной и изотропной, то есть различия в массе и структуре материи между различными областями Вселенной должны быть очень незначительными. Главным доказательством этого являются наблюдения за реликтовым излучением, которое в целом однородно и статистические флуктуации в нем минимальны.
По современным представлениям, масштаб, на котором должна проявляться однородность, составляет 250—300 млн. световых лет. И никакие неоднородные структуры бо́льших размеров существовать как бы не должны. Эта гипотеза известна как »конец величия».
В начале XX века было известно, что звёзды группируются в звёздные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были найдены скопления галактик и сверхскопления галактик. Однако размер сверхскоплений очень сильно отличается.
В 2003 году учеными была открыта Великая стена Слоуна, которая имеет размер 1,37 млрд. световых лет, что в 4,5 раза больше предсказанного масштаба однородности Вселенной. Следом была обнаружена Громадная группа квазаров с размером 4 млрд. световых лет, что в 13,5 раза больше. А в 2013 году была обнаружена стена Геркулес-Северная Корона — неоднородная структура размером более чем в 30 раз больше предсказанного масштаба. Существование столь масштабных структур ставит под сомнение сам космологический принцип.
Протяженность стены Геркулес-Северная Корона равняется 10 млрд. световых лет. Что означает, что мы наблюдаем её такой, какой она была 10 млрд. лет назад, или спустя всего 3,79 млрд. лет после Большого Взрыва. Как уже говорилось на данный момент не существует общепринятых гипотез, каким образом такая большая структура могла сформироваться за такой относительно короткий срок.
Относительно небольшие сверхскопления ученые пытаются объяснить воздействием темной материи, которая притягивает барионную, которую мы в дальнейшем и наблюдаем в форме сверхскоплений или галактических нитей. Но по поводу громадной группы квазаров или стены Геркулес-Северная Корона, ученые лишь разводят руками и предполагают, что, возможно, это не реальные структуры, а только «кажущиеся», из-за ограниченности используемых технологий.
Хотя некоторые ученые всерьез рассматривают предположение, что возраст нашей Вселенной, возможно, гораздо больше принятых сейчас 13,79 млрд. лет. В таком случае появляется возможность не только объяснить образование таких больших стен, но и сделать более состоятельной гипотезу о природе темной материи, предполагающую, что она обусловлена большим количеством чёрных карликов, которые образуются из белых карликов при их остывании, длящемся десятки млрд. лет.
Ось зла
Еще одно довольно спорное явление, когда разные группы ученых, анализируя одни и те же данные, приходят к противоположным выводам. Данное явление напрямую касается реликтового излучения.
Реликтовое излучение — это тепловое излучение, которое, согласно теории Большого взрыва, зародилось в ту эпоху, когда наша Вселенная представляла собой лишь сгусток плазмы. Последняя, будучи сильно разогретой, излучала большое число энергетических фотонов, которые должны были равномерно испускаться во всех направлениях.
За счет этого микроволновое излучение, наполняющее Вселенную, обладает высокой степенью изотропности (равномерности) с точностью до 0,01%. Области с отклонением температуры от среднего значения называются областями флуктуаций.
Изучая реликтовое излучение, в начале 2000-х годов, ученые обратили внимание на некоторую аномалию в распределении микроволнового излучения во Вселенной. Оказалось, что его флуктуации располагаются во Вселенной не хаотично, как утверждает теория Большого взрыва, а вдоль некой протяженной области, масштабы которой значительны по сравнению со Вселенной. Дальнейшее развитие этой гипотезы привело ученых к тому, что, вероятно, вся структура Вселенной выстраивается вокруг этой самой линии, которая получила название »ось зла».
Подобное название было дано не случайно, дело в том, что её наличие противоречит и теории Большого взрыва, и принципу Коперника, согласно которому ни Земля, ни Солнце, ни какой либо другой объект не занимают какое-то особенное положение во Вселенной.
Примером этой аномалии является «реликтовое холодное пятно» в созвездии Эридан — область пространства, микроволновое излучение которой значительно ниже, нежели предсказывают ученые, опираясь на свойства реликтового излучения.
Если существование оси зла подтвердится, вполне вероятно, что это повлечет за собой пересмотр большинства известных теорий, потому что существование подобных осей на сегодняшний день они не допускают в принципе.
Космические струны
Если до этого мы, в основном, останавливались на случаях, которые не согласуются или плохо согласуются с существующими теориями, то с космическими струнами все наоборот — и квантовая теория поля, и теория струн предсказывают их наличие.
Космическая струна — это одномерная складка пространства времени, топологический дефект, когда две соседние структуры или пространства каким-то образом «не совпадают» друг с другом, что делает плавный переход между ними невозможным. Другими словами, круг вокруг внешней части струны будет составлять общий угол менее 360°.
Диаметр космических струн значительно меньше размеров атомных ядер (порядка 10−29 сантиметра), длина — как минимум десятки парсеков, а удельная масса — порядка 1022 гр/см, то есть всего лишь тысяча километров струны имеет массу Земли, что говорит об их крайне высокой плотности.
Из теории космических струн следует, что они возникли вскоре после Большого взрыва и были либо замкнутыми, либо бесконечными. Они могут изгибаться, перехлёстываться и рваться. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и их отдельные фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.
ОТО предсказывает, что прямая космическая струна не имеет гравитационного воздействия. Единственный гравитационный эффект прямой космической струны — это относительное отклонение вещества (или света), проходящего струну с противоположных сторон. При этом замкнутая космическая струна имеет обычное гравитационное воздействие.
Во время расширения Вселенной космические струны образовывали сеть петель, и ранее считалось, что их гравитация могла быть причиной первоначального скопления вещества в галактические сверхскопления. Но в настоящее время подсчитано, что их вклад в формирование структуры во вселенной составляет менее 10%, что исключает их заметное влияние в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.
Увидеть космическую струну невозможно, но она, как и любой очень массивный объект, создаёт «гравитационную линзу»: свет от источников, находящихся за ней, должен её огибать. И хотя в учёном мире периодически появляются публикации с косвенными доказательствами экспериментального подтверждения их существования, на данный момент ни одно из них не было подтверждено.
Экспериментальное обнаружение космических струн будет иметь важные последствия, так как станет первым экспериментальным подтверждением модели теории струн, лежащей в основе структуры пространства-времени.
От автора
Изначально я хотел показать связи между известными теориями физики и космологией, и как они увеличили наши познания о Вселенной. Но в настоящий момент, как можно видеть, в науке сформировалась ситуация, когда вопросов на повестке висит гораздо больше, чем есть на них ответов. Многие связи в большей степени умозрительны, и, часто, не подтверждаются наблюдениями, а наблюдения часто противоречат теориям.
Новые теории часто добавляют гораздо больше вопросов, чем закрывают белых пятен — на данный момент предложены десятки теорий гравитации, квантовой гравитации, теорий всего — кто-то скажет, что это бессильные попытки объяснить без реального результата, кто-то скажет, что это и есть развитие, и создание новых теорий есть подтверждение того факта, что наука не стоит на месте.
Однозначно можно сказать, что с течением времени многие наши представления наверняка поменяются — какие-то проблемы разрешатся, и им на смену придут новые, но знание и понимание нашей Вселенной постепенно будет только увеличиваться. Всем спасибо, надеюсь данная статья была вам интересной.
