Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Тёмная материя во Вселенной: факты, гипотезы, поиски..

Тёмная материя во Вселенной: факты, гипотезы, поиски..

Дмитрий Горбунов

Дмитрий Сергеевич Горбунов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН.

Лекция состоялась 5 декабря 2013 года.

Тема сегодня: тёмная материя во Вселенной. Тёмная материя – это такая субстанция некая. На самом деле, о существовании которой мы догадываемся, строим какие-то гипотезы только по гравитационным данным. Вот с точки зрения каких-то наблюдений. Только гравитация говорит нам, что нужно ввести какую-то новую субстанцию. Поэтому всё может быть совсем не так, как я здесь буду рассказывать, отражая взгляд на эту тему людей, работающих в физике частиц (я как раз и работаю в институте ядерных исследований). Поэтому будем считать, что это физика частиц, элементарных частиц. В то же время довольно сложно, оказывается, объяснить это явление каким-то другим образом. И проще всего предположить, что есть материя, такая же, как вот наша, но тёмная. Тёмная в каком смысле, мы будем с вами говорить. И на сегодняшний день экспериментальные данные, которые указывают на явление тёмной материи, можно разделить на астрофизические данные и космологические данные. Значит, астрофизические данные, так их называют, данные, которые мы имеем сегодня в нашей Вселенной, здесь вокруг нас. Мы смотрим на наши с вами объекты в нашем мире, в нашей галактике, в галактиках рядом с нами, скоплениях галактик, которые мы видим более менее сегодня с космологической точки зрения. И мы видим, что нужно добавить некую субстанцию, чтобы объяснять результаты астрономических наблюдений сегодня, в сегодняшнем мире. С другой стороны, есть много всевозможных астрономических наблюдений, которые мы используем для того, чтобы построить теорию ранней Вселенной. То есть  описать, как Вселенная развивалась, когда учёных совсем в помине не было.

И для правильности вот такой теории, как она сейчас имеется, космологии, теории ранней Вселенной, нам так же необходимо добавить эту субстанцию, которая называется тёмной материей. И о некоторых таких важных моментах, важной роли  тёмной материи в ранней Вселенной мы тоже будем говорить. Соответственно, план. Тёмная материя в галактиках и их скоплениях. Роль тёмной материи в эволюции Вселенной. Мы также обсудим с вами поиски части тёмной материи. В основном мы с концентрируемся на, так называемых, слабо взаимодействующих массивных частицах, по-английски это вимпы. Обсудим, почему именно эти частицы. Ну, и закончим с вами какими-то другими гипотезами здесь, поскольку, я надеюсь, у нас будет некоторое небольшое время. Я постараюсь говорить побыстрее. Тогда мы с вами какую-то сделаем дискуссию на тему о то, что это может быть. Потому что вопрос абсолютно открытый. Здесь любые гипотезы, любые идеи, которые не противоречат экспериментальным данным, вполне имеют право на существование и какая из них реализовалась в нашей Вселенной на сегодняшний день, как говорят, одному Богу известно. Итак, тёмная материя в галактиках и их скоплениях. Значит, вот о чём идёт речь. Речь идёт о том, что ряд наблюдений, которые у нас имеются, астрономическими приборами, да, телескопами, всё, что мы видим с вами, когда мы говорим о космологии, астрофизике, это просто излучение, которое приходит к нам из разных точек нашей замечательной Вселенной. Дальше мы интерпретируем каким-то образом. Вот в данном случае речь идёт о галактике. И в галактиках мы пытаемся определить скорости вращения объектов. А дальше, используя известные законы физики, понять, достаточно ли того вещества, которое мы видим в нашей галактике, чтобы объяснить эти скорости, чтобы объяснить динамику.

Всё очень просто. Скорости объектов мы с вами измеряем, оцениваем, используя закон Доплера. Все знают, что поезд, проезжая мимо, меняет тон звука гудка. Ну, и в данном случае такой же эффект есть в свете. Частота света изменяется в зависимости от того, движется ли к вам источник света или движется от вас этот источник света. И по изменению этой частоты вы можете сказать, с какой скоростью двигается источник. В частности, таким образом определяется скорость движения Земли вокруг Солнышка. Вы смотрите на какую-то далёкую звезду зимой. Смотрите на неё же летом. Ваши скорости относительно Солнышка, значит, в разных направлениях зимой и летом расположены и вне зависимости от того, как Солнце двигается относительно звезды, вы вычитаете результаты измерения частоты и получаете ответ, который пропорционален скорости вашего вращения вокруг Солнышка. Таким образом, мы знаем с вами скорость движения Земли вокруг Солнца. Вот это, собственно, способ, который теперь мы можем использовать для того, чтобы понять, а какая скорость движения, например, других далёких звёзд, но в данном случае уже не вокруг Солнышка, а вокруг центров галактик. Мы обсуждаем звёзды, которые находятся в каких-то галактиках, не обязательно в нашей. Как правило, даже в нашей такого рода наблюдения провести очень тяжело. А проще провести такого рода наблюдения с другими галактиками, особенно, с, так называемыми, дисковыми галактиками. Галактиками, которые такие же, как и Млечный Путь.

В основном, звёзды в таких галактиках сосредоточены в диске. И вот тут примеры многих всяких картинок, разных всяких галактик и у всех этих галактик диски лежат в плоскости  оси наблюдения. Ну, и глядя на такие галактики, можно, используя вот тот же самый эффект Доплера, изменение частоты света в зависимости от скорости излучателя, определить скорость движения объектов, в данном случае звёзд, вокруг центров этих галактик. Вот мы смотрим на какую-то такую галактику, которая более менее к нам повёрнута ребром диска. Тут очень плохая картинка, к сожалению. Ну, и дальше что мы видим. Вот центр галактики. Эти звёзды двигаются, например, к нам, эти двигаются от нас. Мы измеряем явление доплеровское, изменение частоты излучения здесь, изменение частоты здесь, вычитаем их друг из друга, как в случае с определением скорости вращения Земли вокруг Солнышка. Определяем скорость вращения этих звёзд вокруг центра галактики. Ну, и такого рода наблюдения проводим для большого количества звёзд в данной конкретной галактике. Вот здесь расстояние от центра галактики представлено. А здесь скорость. Километры на секунду здесь единицы измерения. Здесь, так называемые, килопарсеки. 10 в третьей, как килограмм и грамм. А парсек – это три световых года. Такая единица была исторически принята, в астрономии вовсю используется. Ну, и вот те точки, вот здесь такие жирненькие , которые видны – это экспериментальные точки, которые для вот данной конкретной галактики и вот здесь её номер, были получены в эксперименте. А дальше, ну, что? Как мы говорим, звёзды двигаются с какой-то скоростью вокруг центра галактики. Скорость эта, на самом деле, небольшая. Примерно 10 в минус третьей от скорости света и в этой ситуации мы с вами можем забвть о релятивистских эффектах и использовать классическую механику. Прямо обычная гравитационная теория Ньютона, как он её заложил там в 17-м веке.

Ну, и, соответственно, если мы находимся на каком-то расстоянии от центра, то вся масса материи, которая расположена внутри, и создаёт гравитационное поле. Дальше астрономы, изучив теорию звёзд нашей галактики, по спектру света от галактики могут сказать, какие у них там звёзды, какие массы, определить эту массу вещества, глядя на излучение от центральной части галактики. Ну, и результат для, соответственно, гравитационного потенциала, мы подставляем, опять таки, закон Ньютона, второй закон Ньютона. Который нам говорит (силу то мы теперь знаем), как, с какой скоростью двигаются звёзды вокруг центра галактики. Но вот результат такой вот, здесь я не знаю, наверное, вам плохо видно, вот такая вот линия должна была бы быть, если бы всё было так, как я говорил. Вот такая должна быть линия, так бы должны совпадать скорости. Что совсем не так, как мы видим. А вот экспериментальные точки. Ну, и вот для этой галактики появилась загадка. Проблема в том, что это не единственная галактика, сами понимаете. Наблюдения сделали, Бог знает, где эта галактика находится. Свет от неё летел, Бог знает, сколько лет. Между вами и галактикой мало ли чего там находится. Ну, не знаю, что это такое. Но дело в том, что для каждой такой галактики такого типа, дисковой галактики, а дисковых галактик примерно 40%, имеется вот такого рода эффект. Экспериментально ожидаемые скорости звёзд существенно меньше, чем наблюдаемые. Экспериментально в каком смысле? Вы экспериментально наблюдаете звёзды, телескопы, определяете массу, по массе определяете скорости, а дальше измеряете Доплера, сравниваете реальные скорости с ожидаемыми. Видите, что всегда скорости заметно больше, чем то, что вы ожидаете из обычной теории.

Ну, и объяснение, вернее, не объяснение, а как бы поскольку астрономы видят только то, что излучает, естественно, объяснение с их стороны – это такое, ну, вот там есть что-то, что мы не видим в телескоп. Что-то тёмное, что мы не видим в телескоп и оно даёт нам более мощную гравитацию и, соответственно, большие скорости вращения звёзд вокруг центра галактики. Объяснение нормальное совершенно. Потому что даже вот макроскопические объекты с точки зрения астрономии, кирпичи, например, если бы они были в центре галактики, обычные кирпичи, с которыми мы имеем дело при строительстве дома, они совершенно не были бы видны в телескопы. Они не излучают, не поглощают, если они расположены далеко друг от друга. Не стена, а просто набор кирпичей, которые болтаются, летают в галактике. Идея возникла при попытке, как-то объяснить такого рода расхождение. Галактика это, ещё раз повторю, не единственная. Все галактики такого типа, вот как здесь представлены, имеют такие проблемы. А дальше люди стали анализировать. Ну, хорошо. Предположим, действительно, есть такого рода кирпичи или какие-то частицы, которые между собой никак не взаимодействуют, нет тут нашего электромагнитного взаимодействия с которым мы всегда привыкли иметь дело. На самом деле, все наши приборы, все детекторы, все устройства, которые у нас есть, все  используют электромагнетизм для своей работы. Ну, вот не участвуют в электромагнитных взаимодействиях такие частицы. Ну, и ладно, хорошо, пусть так. А подойдут ли они нам, чтобы это объяснить? Оказывается, что да. Итак если мы, так скажем, насыпем из мешка такие частицы, предоставим их самим себе, и разрешим, конечно, гравитационное взаимодействие. (Здесь вся эта проблема, основана, опять таки, обращаю внимание, на том что мы поверили в ньютоновскую теорию гравитации на масштабах десяток килопарсек. Значит, это сотни световых лет, сотни тысяч световых лет. Мы поверили, что там такая же гравитация, как у нас здесь на Земле.)

Тогда эти частицы начнут взаимодействие между собой за счёт коллективных эффектов. Сформируют некое такое, его называют гало тёмной материи, такое, что гравитационный потенциал от неё будет как раз в точности, чтобы объяснить вот такие пологие, говорят, кривые вращения галактик просто за счёт коллективных эффектов и только гравитационных взаимодействий. Что, конечно, как-то, с одной стороны, какие-то оценки, это просто гипотеза. С другой стороны, кривая, тип кривой оказывается правильным, подходящим и нужно только определить меру, сколько этих частиц нужно добавить в галактику, чтобы вот эту вот вещь объяснить, просто их количество. А форма их расположения (сколько их в центре, сколько их на периферии) оказывается, более менее, универсальной. Это замечательное явление. Таким образом объясняется все результаты наблюдений вот такого рода кривых вращений, как говорят, звёзд в галактиках. Предположение, что у вас есть какие-то такие кирпичи или такие гипотетические частицы, и единственные свободные параметры, в данном случае: сколько вы их в какую галактику добавили. Сразу скажу, что, оказывается, что в галактике их должно быть больше, чем обычного вещества, чтобы такое объяснить. И это, конечно, обескураживает. Оно говорит нам, что вот то, что мы видим, это меньшая часть того, что нас окружает. Ну, и, например, если говорить о Млечном Пути, нашем Млечном Пути, то идея теперь состоит в том, что наш вот этот вот диск (диск Млечного Пути, который мы видим, как Млечный Путь на небе) погружён в такое большое гало тёмной материи, ну, и крутится в нём, в этом гало. А гало, более менее, сфероидальной формы.

На самом деле, есть небольшой класс галактик, примерно там 3-4-5%, у которых, если смотреть на видимую часть галактик в телескопы, в центре галактики имеется структура под названием bar («брусок» с английского). Ну, представим себе, как скопление звёзд, которые формируют что-то такое типа кирпича. И если вы, я не знаю, когда-нибудь пытались подбрасывать кирпич и вращать его, то обращали внимание, что кирпич легко вращать вдоль двух осей, а вдоль третей оси он плохо вращается. Там идёт всё криво так. Это связано с тем, что у кирпича есть такая нестабильность вдоль одной оси. И вот эта нестабильность реализуется для такого рода структуры в центре галактик и, вообще-то, должна была развалиться вот эта структура такая из звёзд, должна развалиться в центр галактик. Галактик таких, опять, немного, 2-3, но, тем не менее, 2-3%, но по штукам их много уже. И сам факт наблюдения вот такой области, которая должна была бы развалиться за один оборот  галактики, это отдельная проблема. Проблема устройства галактик. Ну, и вот если погрузить эти особенные галактики в гало, то и проблема стабильности пропадает.  Структура становится стабильной, будучи погружённой в такое гало тёмной материи. Это некоторое независимое указание на то, что это, возможно, всё-таки тёмная материя, и здесь она помогает решить и эту проблему тоже. Опять, это не все галактики, это только 3%. Но галактик очень много по штукам и везде такая вот непонятная загадка.

С галактиками здесь всё. Это основные проблемы и добавление тёмной материи в галактику эти проблемы решает. А дальше мы выходим на следующий масштаб. А следующий масштаб, это когда галактики собираются в скопления. Примерно 5-10% всех галактик, они собраны в скопления галактик и в этих скоплениях галактик тоже есть некоторые наблюдаемые, которые нам указывают на то, что обычной материи, даже с учётом тёмной материи внутри галактик,  недостаточно, чтобы объяснить результаты наблюдений. Но в данном случае речь идёт о гравитационном лизировании. Что это такое? Ну, свет так же, как и остальные частицы под действием гравитационного поля искажается, перестаёт распространяться прямолинейно, из-за притяжения, обусловленного гравитационными силами. И в данном случае представим себе следующую картинку. Есть источник света. Это обычно, такой далёкий квазар, мощный источник излучения. Ну, и наша Земля, где мы регистрируем с вами свет, приходящий от источника, а между нами расположено некое скопление галактик. И вот яркие точечки здесь – это галактики, образуют такое скопление. Это много галактик, они образуют мощную гравитационную систему, гравитационный потенциал, который искажает направление распространения света. В результате чего свет начинает с разных сторон огибать эту конструкцию и картинка, которую мы видим, на самом деле, в наши телескопы, становится очень-очень причудливой. Это даже не изображение одного источника, а картинка весьма причудливая. И тип, форма картинки, много чего существенно зависит от расположения нас относительно вот этой вот, как говорят, гравитационной линзы, от расстояния до источника. От того, действительно ли на линии мы расположены или под некоторым углом, (говорят, у линзы есть некий прицельный параметр), то есть немножечко не на линии расположена вот эта вот линза и т.д.

На самом деле, картинка напоминает… Ну, наверняка многие из вас смотрели на, как говорят, (и в школе обычно проходят) идеальные линзы, плоские. Но есть, к сожалению, люди с плохим зрением, есть крупные очки с толстыми линзами и если посмотреть в эти линзы, то изображение весьма причудливое, в зависимости от того, как вы повернёте очки. Есть, в конце концов, круглые аквариумы, например. Если посмотреть в аквариум, то тоже довольно причудливым образом предмет, который находится с той стороны, меняет свои формы. И то же самое здесь. Один в один. Такого же типа, объёмная, неидеальная, линза с показателями преломления, на самом деле, зависящими от того, где больше галактик, где меньше галактик. Довольно сложная структура. Бывают очень красивые картинки, вот так называемый, крест Эйнштейна, когда идёт изображение одного объекта, множественное изображение одного объекта, выглядящее в виде креста. На самом деле, источник здесь один всего, а изображений несколько появилось. То, что это источник один (на самом деле, мы же видим только изображение, мы догадываемся о том, что там источник один) можно косвенно судить по следующему факту. Вы можете посмотреть, как говорят, спектр или амплитудно-частотную характеристику излучения вот от этой точки, от этой точки, от этой точки. Спектры будут абсолютно одинаковы, что говорит о том, что, скорее всего, это один и тот же источник, а не несколько разных, которые причудливым образом сформировали крест где-то далеко во Вселенной. Ну, и в данном случае люди пытаются, глядя на изображение, а изображение для случая линзирования скоплением галактик выглядит вот таким образом, определить гравитационный потенциал. Вот тут с правой стороны картинка такая. Вот здесь яркие пятнышки. Вот самые яркие пятнышки – это, на самом деле, звёзды нашей галактики. Их довольно тяжело убрать с картинки. Они не относятся к вот этой вот физике. А поменьше пятнышки – это пятнышки, которые относятся, действительно, к галактикам вот этого скопления. Они здесь вот так вот расположены, а изображение, собственно, которое видят – это вот такие голубенькие линии, вот такие вот, здесь вот они как бы, я не знаю, такой формы банана получаются. И это, собственно, изображение одного единственного квазара, который расположен за вот этим вот скоплением.

И по форме, по расположению вот этих изображений люди пытаются восстановить линзу, сказать, а как же там гравитационный материал в ней устроен. Это плохо определённая задача, как восстановление изображения. Предполагают, что линза, то есть расположение гравитационного потенциала вот этой материи, более менее сферична, ну, или какой-то там эллипсоид, что-то такое несложное. И пытаются восстановить такого рода изображение. Ну, и оказывается, что гравитационного потенциала просто от галактик, даже с учётом их тёмной материи, совершенно недостаточно, чтобы объяснить такую картину. Это маловато. И в центр нужно добавить тёмную материю, которая вот образует какую-то такую сферическую конструкцию и в центрах скоплений основную массу составляет именно эта тёмная материя, а вовсе даже не галактики и не обычное видимое вещество. Это явление, которое требует объяснения, это явление на другом масштабе. Размер скопления галактик примерно, значит, два мегапарсека, это 6 миллионов световых лет. Другой масштаб расстояний и здесь дополнительные требуются компоненты, чтобы объяснить вот такого рода наблюдения. Теперь, опять в центр скопления галактик смотрим, но теперь смотрим с помощью рентгеновского телескопа. На орбитах летают рентгеновские телескопы, которые пытаются регистрировать излучения, приходящие к нам с разных направлений и, в частности, излучения, которые приходят к нам из центров скоплений галактик. В центре скопления галактик очень большой потенциал. И есть компонент обычного вещества, водород, гелий, который принадлежит не отдельным галактикам, а принадлежит и всему скоплению вместе. В центре скопления основная доля обычного вещества, которое мы с вами видим, барионного вещества, как говорят, принадлежит всему скоплению галактик вместе. Оно не принадлежит какой-то одной галактике. Это очень горячий газ и у него такая простая динамика. С одной стороны, поскольку есть центральный, мощный гравитационный потенциал в центре, все эти частицы: водород, гелий пытаются упасть на центр. Туда их притягивает, эти частицы.

С другой стороны, поскольку он горячий, то есть излучение. Вот то самое рентгеновское излучение. Излучение взаимодействует с водородом, с гелием, с электронами и расталкивает их, наоборот, пытается их выкинуть вот из этой вот плотной конструкции, из этой гравитационной ямы. Идёт конкуренция двух процессов. Давление излучения и притяжение гравитации. Из-за этой конкуренции очень легко контролировать, что происходит. Основная здесь масса, если говорить, опять-таки, о видимом веществе, это, собственно, масса вот этого самого газа. Поэтому глядя в рентгеновский телескоп, аккуратно измеряя излучение, (температуру излучения, интенсивность излучения, как функции радиуса от центра), мы с вами замечательным образом можем отследить динамику и предсказать, какая же там масса должна быть, чтобы динамика была такая, как мы с вами наблюдаем. И опять не хватает  нам с вами этого вещества, не хватает нам обычной материи, нам требуется добавить что-то ещё. Что-то ещё – это вот эта самая компонента, тёмная материя, о которой здесь шла речь. Это другое, некое независимое наблюдение. Есть скопления, за которыми наблюдения произведены и в рентгеновском диапазоне и для которых пронаблюдено линзирование. И там и здесь требуется тёмная материя примерно такого количества, чтобы всё сходилось, концы сходились с концами. Опять-таки, здесь для случая скопления, скорости и вообще все явления, которые проходят – это явления нерелятивистские. Это обычная физика. Физика, так скажем, 19-го века и фактически требуется модифицировать закон Ньютона, если мы хотим это объяснять каким-то другим образом, если мы хотим сказать, что дело в гравитации. Исключительное событие есть, исключительное явление, исключительная пара объектов, которые очень красиво показывают, что нам нужно тёмную материю добавить в скопления, так называемый «булит кластер». Это два скопления галактик. Одно существенно легче другого, примерно фактор десятка.

Вот они здесь изображены. По-разному. Сейчас расскажу, о чём идёт речь. Мы видим картинку сейчас. Астрономы построили телескоп, они видят картинку сейчас, они пытаются объяснить некую пару объектов и расположение вещества в них, но пытаются объяснить это динамически и динамическое объяснение этой картинки следующее. Что это было два скопления галактик, которые летели друг навстречу другу. Одно было меньшего размера, примерно фактор 10 и одно пролетело через другое. А то, что мы видим, это результат вот такого пролёта. Ну, соответственно, поэтому слово «булит»: одна, которая лёгкая, лёгкое скопление, это вот пуля, которое пролетела через объект и мы как бы видим такой результат выстрела или как сказать, попадание пули в объект. Теперь, что наблюдаем. Вот два скопления галактик. Что наблюдают сейчас? Это интерпретация. Что реально наблюдают сейчас? Два скопления галактик. Вот точечки здесь – это галактики конкретные, которые наблюдают люди в обычные телескопы. Теперь, за каждым из этих объектов нашли источник излучения, квазар, и смогли посмотреть лизирование вот этими объектами света  от квазара. В результате чего смогли поставить линии такого одинакового гравитационного потенциала. Вот сгущение линий вот этих зелёненьких показывает, где центр гравитации, где основная материя. Она, основная материя, которая является источником гравитации, она расположена вот здесь, ну, а здесь вот здесь. Мы видим, что вот эти точечки, которые галактики, принадлежащие скоплениям, более менее концентрируются вдоль этих линий и совпадают, их расположение совпадает с тем, где самое мощное гравитационное поле. Вот в центрах. Всё хорошо здесь. Но в центрах скоплений, как мы сказали, основная масса видимого вещества принадлежит вовсе даже не галактикам, а принадлежит как бы такому общему газу, горячему газу, который принадлежит им всем.

Если посмотреть на эту картинку в рентгеновском диапазоне, рентгеновскими телескопами, то вот этот горячий газ, который должен был бы быть в центре, вот здесь и вот здесь, он смещён. И этот газ смещён, и этот газ смещён. Горячий газ взаимодействует, есть взаимодействие, они чувствуют друг друга, частицы плазмы чувствуют друг друга на больших расстояниях и малое скопление, пролетев через большое скопление, затормозилось за счёт взаимодействия между вот этими облаками горячего газа. И горячий-то газ создаёт основную массу обычного вещества. И если бы нам не надо было тёмного вещества, то именно вокруг вот этих пятен должны были бы сформироваться и вот эти линии гравитационного потенциала. А линии гравитационного потенциала расположены здесь и здесь, там, где обычные галактики. Ну, и картинка очень простая. Обычные галактики, пролетая друг через друга на очень большом расстоянии, почти не чувствуют друг друга, пролетают совершенно незамеченно. А вот частицы разогретого газа, плотного горячего газа, они чувствуют друг друга. Пролетая друг через друга, они взаимодействиют друг с другом и немножечко тормозятся. Этот эффект торможения мы и видим. Почему же гравитационные линии там же, где обычные скопления? Потому, что частицы тёмной материи, если такие есть, по-видимому, ведут себя так же, как и галактики, то есть являются безстолкновителями, не чувствуют друг друга, пролетают, ну, как кирпичи, в буквальном смысле этого слова. Я начал с кирпичей, кирпичи бы отличным образом подошли для объяснения такого рода явлений. Почему? Потому что кирпичей мало, вероятность попадания одного кирпича в другой очень небольшая. В основном, они пролетают, никак не портя траекторию движения кирпичей из соседнего скопления, так скажем.

Вот это явление – это исключительный объект. Больше таких пока двойных систем не обнаружено. Тем не менее, один он сам по себе требует введения такой компоненты, чтобы объяснить картинку, которую мы с вами наблюдаем. Подводя некий итог, мы можем сказать, что если мы с вами, так сказать, верим, что на больших таких расстояниях, а здесь речь идёт о расстояниях галактических, гравитация такая же, как нам рассказал Ньютон, то нам требуется что-то добавить новое, что-то такое стабильное на больших временах, потому что речь о галактиках, которые существуют миллиарды лет. И это что-то должно обладать какими-то свойствами. В данном случае, здесь речь идёт о частицах, о новых частицах. Такие частицы должны быть стабильны на космологических временах. Это десяток миллиардов лет. Они должны быть нерелятивистскими, в галактиках они должны так же летать, как обычное вещество, как обычные звёзды со скоростями 10 минус три от скорости света. Это обычная динамика. Они должны быть электрически нейтральны. Ну, понятно. Иначе бы с вами их не видели. Мы бы увидели в телескопах, как свет от какой-то звезды, например, отразился от этих частиц. И они должны быть безстолкновительны, иначе мы не можем объяснить явление вот этих сталкивающихся скоплений. Это, собственно, всё. Всё, что мы можем сказать об этих частицах с точки зрения наблюдений астрофизики, которые мы сделали для нашей современной Галактики, нашей Галактики и галактик, которые рядом с нами расположены. Что ещё мы, на самом деле, можем сказать? На самом деле, здесь есть очень интересный эффект, квантовый эффект. Вот сейчас у нас было всё классическое. Это всё, вообще, классические наблюдения, исключительно гравитационные. Но есть замечательный, красивый очень эффект, который может нам сказать, что-то об этих частицах, если предположить, что они такие же, как вот электроны. В каком смысле «такие же, как электроны»?

Электроны, ну, химию изучали в школе, безусловно, кто-то что-то помнит, кто-то что-то не помнит, но химические свойства, которые в таблице Менделеева определяются тем фактом, что электроны не могут быть, как говорят, в одном и том же квантовом состоянии вместе. Они могут формировать только определённые, если говорить химическими терминами, орбитали внутри атомов. Принцип Паули запрещает много электронов набивать в атомы и собирать из них что-то такое очень сложное. Если говорить о водороде, мы можем только два добавить электрона, больше ничего. И в данном случае представим себе, что вот эта галактика, такой атом как бы, а новые электроны, новые частицы такие тёмной материи, которые с такими же свойствами квантовыми, то есть вы можете много их в одно квантовое состояние добавить. И вот эта такая галактика, с одной стороны, макроскопически большой объект, с другой стороны, квантовый принцип никто не запрещал. Если вы уж слишком много в галактику добавите таких частиц, фермионов, то принцип Паули начнёт проявляться. Так вот из проявления принципа Паули, из-за того что вы не можете очень много добавить частиц, таких фермионов, как говорят, в одно состояние, следует, на самом деле, ограничение. Смотрите. Мы с вами хотим объяснить некие недостаточную материю, недостаточную, на самом деле, гравитационных сил. Для достаточных гравитационных сил нам нужно новую скрытую массу добавить. Скрытая масса, если говорить о частицах, это какое-то количество частиц, а каждая частица имеет одну и ту же массу. Ну, и, соответственно, если мы не можем набавить очень много частиц, мы не можем повысить концентрацию этих части очень сильно, это означает, что чтобы обеспечить ту же самую полную массу, мы не можем такую частицу иметь слишком лёгкой.

Есть ограничения, на массу ограничения для такой частицы примерно 1 кэВ. Килоэлектронвольт – это как раз рентгеновское излучение, которое есть у нас с вами, если говорить о диапазоне, доступном, например, для исследования на рентгеновских телескопах современных, которые летают на орбите. Вот такая замечательная история. Вот это всё, пожалуй, что можем сказать, на самом деле, об этих частицах с точки зрения наблюдений астрофизики за сегодняшнем, окружающем нас мире. Теперь Вселенная. Ну, раз эти частицы каким-то образом попали в галактики, как-то они должны были родиться на той или иной стадии, на том или ином этапе развития Вселенной. Вселенная наша расширяется, это мы все знаем с вами. Далёкие галактики разлетаются от нас. .

Что хотел сказать. Смотрите. Вселенная наша расширяется. Мы это видим с вами по тому факту, что опять со всех сторон свет, который к нам приходит, приходит в смещённом, покрасневшим, как говорят. Эффект Доплера. Объяснение этого явления состоит в том, что мы считаем, что Вселенная наша расширяется, как расширяется поверхность шарика, который надувают. Вот такого рода объяснение. Соответственно, это первый факт про нашу Вселенную. Второй факт, что на больших расстояниях Вселенная однородна и изотропна. Это такая картинка, результаты работы телескопов, которые просто смотрят, где, в каких местах расположены какие-то галактики определённого типа. Их аккуратно заносят планомерно на карту неба. Но если на карты эти посмотреть, результат анализа может быть такой, что на больших расстояниях, на расстояниях типа нескольких десятков миллионов световых лет наша Вселенная, однородна и изотропна.  Везде все куски мира выглядят одинаковым образом. Нет здесь ничего такого выделенного. Ну, и третий факт, который мы про нашу Вселенную точно знаем, это то, что Вселенная заполнена горячими фотонами, так называемым, реликтовым излучением. Это пример абсолютно чёрного тела, который характеризуется одним единственным параметром, это температурой 2,7 Кельвина. Спектр этот совершенно замечательным образом измерен очень хорошо разными экспериментами в довольно широком диапазоне измерен. Вот здесь частоты три порядка интервал, а здесь длина волны один сантиметр, один миллиметр, много точек вот здесь, здесь основной как бы эффект набирается, основные интересные данные про этот спектр. 400 примерно фотонов в кубическом сантиметре расположены и поскольку спектр термально горячий, то все эти факты, вместе собранные, говорят нам, что, наверное, в более ранней Вселенной у нас, конечно, Вселенная была более плотная, там была больше плотность частиц, там была более высокая температура. Вселенная расширяется, температура падает. Если там плазма какая-то, то эта плазма остывает просто из-за того, что плотность всего на свете падает, частицы друг от друга разлетаются из-за расширения Вселенной.

Тем не менее, в прошлом Вселенная была горячей и, на самом деле, из этого следуют некие интересные выводы именно для тёмной материи. Дело в том, что если посмотреть на свет вот этих реликтовых фотонов, внимательней посмотреть на температуру реликтового излучения в зависимости от того, из какого направления приходят эти реликтовые фотоны, то оказывается, что температура немножечко различна по небу. Есть неоднородность (флуктуации) температуры по небу. Это флуктуации очень маленькие. На самом деле есть  изменения температуры с направлением (изменения от точки к точке на небесной сфере) на уровне 10 в минус три, связанные просто, опять-таки, так называемым эффектом Допплера из-за того что наш наблюдатель, телескоп, расположен на Земле. Земля вращается вокруг Солнышка, Солнышко вращается вокруг центра галактики, галактика движется в каком-то скоплении, в такой локальной местной группе других галактик и все вместе они двигаются в каком-то направлении на центр сверхскопления Девы. Есть некое движение такое локальное, обусловленное динамикой локальных объектов. И это движение приводит к тому, что есть некая скорость 10 минус три относительно Вселенной в целом, так скажем. Когда в школе формулируется система отсчёта, инерциальная система отсчёта, там говорится, что эта система отсчёта, которая движется равномерно прямолинейно относительно системы отсчёта, в которой реликтовое излучение изотропно. В данном случае мы двигаемся с некоторой скоростью относительно системы, в которой реликтового излучения изотропно и эта скорость даёт нам некую дипольную компоненту. Но речь сейчас не об этом, а о том, что помимо этой дипольной компоненты есть, на самом деле, пятнышки маленькие. Немножечко побольше температуры, немножечко поменьше температуры, но на уровне 10 минус 4, десять минус 5 от 2,7 Кельвина.

И вот эти вот разности этой температуры, анизотропия реликтового излучения была довольно хорошо измерена за последние, ну, так скажем, 20 лет. Первые наблюдения, на самом деле, были проведены на советском спутнике «Реликте» и на американском спутнике COBE, потом очень хорошие были балонные эксперименты (на воздушных шарах), орбитальный эксперимент WMAP, сейчас эксперимент «Планк», который очень хорошо измерил вот эту анизотропию, как говорят, реликтовое излучение на очень-очень маленьких угловых размерах. Очень-очень маленькие, вот, так сказать, вот эти пятнышки, это хорошее угловое разрешение соответствующего прибора. Какое объяснение вот этим вот пятнышкам? Мы с вами обсуждаем стандартную космологию. Объяснение пятнышкам следующее. Откуда, вообще, пришли реликтовые фотоны? Реликтовые фотоны пришли от эпохи в ранней Вселенной, когда образовался водород. В более ранние времена была плазма, были электроны, протоны. Электроны с протонами собирались в водород, но тут подлетал энергичный фотон и разбивал этот химический элемент. Вселенная расширяется, температура падает, температура фотонов падает, они не такие энергичные и уже не хватает энергичных фотонов, чтобы разбить такой замечательный водород. Вот водород образовался, а фотоны после этого летят к нам.  Фотонам совершенно не на чем после этого рассеиваться. Почему? Потому что до этого был электрически заряженный протон, электрически заряженный электрон, фотоны летали, рассеивались на электронах. А после этого образовался нейтральный водород. Для фотонов Вселенная свободна, прозрачна. Фотоны летят к нам, вот мы их регистрируем в виде такого реликтового излучения.

Какое теперь объяснение, почему с разных направлений немножечко разная температура? Вот объяснение следующее. Представим себе, что в плазме, той первичной, в каких-то местах было немножечко побольше электронов, в каких-то немножечко поменьше электронов. Но тогда там, где немножечко побольше электронов, там, наверное, такой процесс образования водорода произошёл немножечко попозже. Там, где поменьше, немножечко пораньше. Ну, и, соответственно, фотоны, которые прилетали из той части, где водород образовался попозже, они более холодные. Там, где водород образовался пораньше, они более горячие. Хорошо. Пусть такое объяснение. Но тогда вот эта вот неоднородность в распределении обычного вещества, электронов и протонов, она приводит к тому, что есть неоднородность в образовании водорода, нейтрального вещества. И к чему это приводит? А вот к чему это приводит. Посмотрите. У нас есть нейтральные частицы, водород, и они электрически между собой не взаимодействуют. Осталась только гравитация. В гравитации все частицы притягиваются друг к другу. Поэтому если у нас с вами где-то есть немножечко побольше частиц, немножечко побольше водорода, сам гравитационный потенциал немножко побольше и тогда остальные частицы пытаются двигаться в том направлении. Там их становится ещё больше и однородность там растёт. Гравитационный потенциал растёт ещё больше. Ещё энергичнее остальные частицы пытаются продвинуться к этому центру неоднородности. Там формируется большая неоднородность. Эта неоднородность — это будущее гало галактики. Там будут образовываться галактики в таких местах. В таких местах будут образовываться первичные звёзды. Это источник структур, которые  мы наблюдаем сегодня. Вот эта нестабильность, так называемая, джинсовская нестабильность, связанная с тем, опять-таки, что у нас нет антигравитирующей материи, все частицы гравитирующие. Эти неоднородности  – источник нестабильности, где немножечко побольше частиц, туда все и потекут. Это источник галактик, источник скопления галактик.

Но галактики, скопления галактик мы с вами видим сегодня в телескопы. Но мы можем сравнить с вами такую теорию с наблюдениями. А именно. Нам с вами нужно, мы с вами знаем величину неоднородности в эпоху рекомбинации. Это величина неоднородностей даёт нам вот эту 10 в минус 4 — 10 минус 5, вот эту вещь. Но и такого же типа неоднородность была в материи. А дальше неоднородность начала расти, мы знаем только гравитационно, и мы должны с вами понять, а хватает ли такой величины неоднородности 10 в минус 4 – 10 минус 5, чтобы сегодня образовать обычные наши с вами галактики, скопления галактик, которые мы видим вот на этом рисунке. Ну, и ответ оказывается: не хватает. Времени не хватает. Не хватает, если не добавить тёмную материю. Если добавить тёмную материю, причём столько, сколько нам кажется её нужно добавить в скоплениях галактик сегодня, то будет ровно столько, сколько нужно, чтобы именно образовать ту структуру, которую мы ещё не видим. Не больше и не меньше, а именно столько, сколько мы сегодня видим в скоплениях галактик. Это же замечательно. То есть тёмная материя нам 100% существенна не только сегодня, чтобы объяснять наблюдения. Ну, подумаешь, там вращаются с другими скоростями звёзды в галактике. А на 100% существенно, чтобы успеть образовать такие структуры, такое количество галактик, причём галактик там целый спектр. Есть большие галактики, есть малые галактики, карликовые галактики, есть большие скопления галактик, есть малые скопления галактик. И вот весь этот зоопарк, чтобы объяснить, требуется всего лишь предположить, что есть частицы тёмной материи. И вот это вот соотношение между неоднородностями в распределении частиц тёмной материи по Вселенной и неоднородностями в температуре реликтового излучении, которое мы наблюдаем на карте неба сегодня, сходится один с другим совершенно замечательным образом.

На самом деле именно из космологии следуют самые точные оценки есть для доли тёмной материи. Они как раз вот здесь, на этом слайде. На том слайде она есть, а вот тут она обрезана. Относительный вклад тёмной материи в современную плотность массы Вселенной – это примерно 20-25%. Вот здесь этого числа не написано. А основной вклад идёт от другой тёмной компоненты, так называемой тёмной энергии, мы с вами о ней почти, значит, ничего говорить не будем и, видимого вещества примерно только 5%, на самом деле. Там много космологических данных, космологических наблюдений, а это есть некий такой слайд, который показывает три типа разных космологических наблюдений. Здесь отложенная величина, которая написана ниже: это относительный вклад материи полной. И барионов, обычного вещества, и тёмного вещества, относительный вклад в полную плотность энергии современной Вселенной. А здесь вот эта омега лямбда – это вклад в другую компоненту, так называемой тёмной энергии. Вот здесь три разных типа данных. Вот здесь нарисованы сверхновые. Это была Нобелевская премия несколько лет назад, Нобелевская премия по физике за открытие явления расширения Вселенной с ускорением. И вот этот вот наблюдение сверхновых укладываются как бы вот в такую космологическую модель и параметры космологические лежат вот в этих вот областях. Здесь представлены несколько, как говорят, уровней достоверности. Как всегда, любая величина может быть измерена с некоторой ошибкой. Это только глубоко неграмотные люди могут сказать, что величина точно равна нулю и потом в виде закона оформить. А все остальные понимают, что здесь некая ошибка и в данном случае ошибка измерений – это 68% доверительный интервал, 95% доверительный интервал. Здесь 99,8.

Вот здесь должны быть космологические параметры вот такие, чтобы интерпретировать результат измерений сверхновых. А вот то, что мы с вами до этого смотрели, анизотропия излучения – это вот такая вот область, вот такая вот очень вытянутая. И здесь, на самом деле, по цвету тоже три области. Самая центральная – это 68%, потом больше, больше. И вот они здесь пересекаются замечательным образом между собой. Это область совместности тех и других экспериментальных данных. А вот это такая картинка зелёненькая. Так называемые, барионные акустические осцилляции или сахаровские осцилляции. Это область, которая говорит, где расположены космологические параметры, получающиеся из анализа распространённости как раз структур галактик и скоплений галактик современной и более ранней Вселенной. И вот здесь некие такие наблюдения, такая вот кривая, у которой есть такой вот пичёчек маленький. Вот этот пичёчек – это как раз такой сахаровский пичёк. На самом деле, его физика, физика такого пичка в точности такая же, как физика вот этих вот пятен разной температуры на картине неба в реликтовых фотонах. Та же самая физика здесь стоит – это источник этого такого пичка, неоднородность в первичной плазме в распределении тёмной материи и барионов. И вот они все вместе пересекаются замечательным образом в одном месте. И это вот те космологические параметры, которые сегодня приняты и это, на самом деле, проблема, важная проблема для нашего миропонимания. Вот если так всё, как вот мы сейчас с вами рассказали, то основную часть нашего мира, из чего он состоит, мы совершенно не знаем. Вот только 5% это то, что нас как-то окружает, что мы понимаем, что излучает или что мы можем видеть в телескопы. А 20% это такого же типа. Кирпичи, например, могли бы быть, но мы совсем никак их не видим. Всё пока гипотезы.

А ещё 70% — это вообще странная вещь под названием «тёмная энергия». На самом деле, аналога такой штуки в обычной физике нет и в обычном мире нет. Если мы с вами вспомним обычный курс физики. Идёт 6-й класс, механика, любимые задачки. Шарик падает с высоты Н. При том, где располагался шарик совершенно неважно, важно, какое расстояние он пролетел. И задачки решались выписыванием закон сохранения энергии, закон сохранения импульса. Совершенно неважно, какая была потенциальная энергия у шарика там или здесь, важно какое приращение этой потенциальной энергии, изменение потенциальной энергии. Когда мы с вами обсуждали электричество, то же самое. Неважно было совершенно, где мы принимали нуль потенциала, в бесконечности или здесь. Важен был переход. Разность потенциалов между двумя точками. Когда мы с вами говорим о, там, какой-то розетке электрической, совершенно неважно чему там равен потенциал. Важно, что есть два провода и разница потенциалов между ними весьма существенно может быть для человека, который за это дело схватился руками. А сам по себе потенциал совершенно неважен. А вот тут, значит, аналог этого, как бы не энергия, а плотность энергии, она совершенно неважна, и если мы говорим с вами о физике более старших классов школы. Излучение, например. Излучение, которое мы с вами наблюдаем, какие-то атомные переходы – это переход, опять-таки. Атом переходит из одного состояния в другое. Или ядро переходит из одного состояния в другое. Важен переход. Вот на этом переходе рождается фотон и частота фотона определяется разницей энергии уровней, начального и конечного, когда переходи произошёл. И так везде. Вам важна энергия выделения. Вам важна разница энергии начального и конечного состояний. А в Гравитации, оказывается, не так.

Гравитация исключительное такое место, что плотность энергии сама по себе, оказывается, гравитирует. Если вы где-то там выбрали потенциал, условно говоря, в этой комнате равным нулю или потенциал в соседней комнате равным нулю, для гравитации это 100% существенно. Потому что там эта величина –- плотность энергии — тоже оказывается гравитирующей. И в нашем мире так сейчас кажется, что плотность энергии вакуума не нулевая, а имеет вот такое значение. Если говорить о энергетических единицах, это 10 в минус три электронфольта. Это число, которое много меньше, чем все масштабы, если говорить о физике частиц. Что это такое за субстанция, совершенно неизвестно. Если пытаться описывать эту субстанцию в виде каких-то термодинамических терминов, в виде какого газа или идеальной жидкости, то это очень странная конфигурация. У неё отрицательное давление. И в системе единиц, где скорость света и постоянная Планка приняты равными единице (это система единиц, принятая в физике частиц) они прямо равны друг другу по величине. Но у давления противоположный знак: давление отрицательное. Что это такое? Имеет ли это вообще отношение какое-то к физике частиц или к чему-то другому, совершенная загадка такая! Тёмная энергия. Называют тёмной энергией. С тёмной материей проще. Тёмная материя, поскольку мы можем говорить, что это, возможно, такие же частицы, как наши с вами, но только не взаимодействующие с электричеством. Ну, не взаимодействующие электрические, на самом деле, вот там мы с вами формулировали, они должны быть стабильные, должны быть безстолкновительными и т.д. Более менее весь набор. И всё, что мы про них можем сказать, только что когда-то в ранней Вселенной, если обсуждать историю развития Вселенной, был какой-то этап, когда эти частицы рождались в этой Вселенной. Чтобы они появились в галактике, нужно когда-то их родить. Должен быть источник этих частиц. И когда-то мы должны в ранней Вселенной такой этап иметь как рождение тёмной материи.

Это так сказать, общее утверждение, которое, на самом деле, за собой почти ничего не имеет, поскольку, что за механизм зависит от того, что за частицы. А мы об этом ничего не знаем. Все наблюдения в этих частицах гравитационные исключительно. Единственное, что мы видим это, если мы добавим некие частицы, которые были бы как, например, нейтрон. Нейтрон, мы знаем, что нестабильный, распадается там, ну, вот нужен «нейтрон стабильный». Нейтроны, например, замечательным образом рождается в плазме первичных частиц, появляются, всё хорошо, потом перестают взаимодействовать. Стабильные нейтроны вот нам бы подошли на роль таких вот частиц. Единственное, что нейтроны сильно взаимодействуют. Образуют гелий, образуют другие ядра. Это частицы не такого типа. Они не должны участвовать в сильных взаимодействиях. А так вот был бы нейтрон, отлично подошёл. Ну, и дальше всё. Всё остальное чистая гипотеза. Вот тут мы с вами как бы обсуждали какие-то экспериментальные данные, предположим, это какие-то частицы. А дальше мы с вами хотим эти частицы каким-то другим образом, конечно, найти, ещё как-то их поискать. То, что, в принципе, с точки зрения такой модельнонезависимой, мы видим с вами явление гравитационное, мы пытаемся его объяснить, предположив существование этих новых частиц. А теперь, ну, попробуйте доказать факт присутствия таких частиц другим образом. А именно, не используя гравитационные эффекты. Мы их уже ввели, чтобы объяснить вот эти явления. Нужно что-то другое. Ну, вот дальше мы предполагаем, а пусть эти частицы как-то с нами всё-таки взаимодействуют. Очень редко, очень слабенько, иногда, очень как-то вот, ну, чуть-чуть там совсем. Но иногда вот пролетают и пнут нас. Так? Можно тогда их искать и предположить хоть какое-то другое взаимодействие между нашими частицами или частицами слабенькое, но, тем не менее, мы можем что-то уже об этих частицах сказать и строить какого-то типа эксперименты в надежде увидеть такого рода сигналы. О чём идёт речь?

Ну, вот большой адронный коллайдер вы, конечно, все знаете, это сейчас такая суперсовременная машина. На самом деле, гигантский-гигантский микроскоп, который измеряет физику на самых маленьких расстояниях, которые сегодня доступны нам. На нём тоже идут поиски частиц тёмной материи. Представим себе, что наши частицы, частицы тёмной материи, как-то между собой и с нашей материей взаимодействуют. Тогда, возможно, частицы тёмной материи могут рождаться в столкновениях протонов на большом адронном коллайдере. Вот столкнулись протоны и у вас родилась, там, пара частица-античастица тёмной материи или, так сказать, частицы тёмной материи. Это частицы, которые электрически нейтральны, массивны и почти не взаимодействуют. Как такую частицу видеть? Все приборы у нас электромагнитные. Надежда увидеть такие частицы в столкновениях протонов следующая. Представим себе, что родилась эта частица тёмной материи, но это же не единственная частица, которая родилась. Ещё родились другие частицы, например, электроны, которые так же рождаются в столкновениях. Или протоны, какие-то другие частицы, обычные, наши, которые мы знаем, как регистрировать. Вот у нас картинка. Столкнулись протоны. Частица тёмной материи полетела сюда, вы её не видите. А перпендикулярно ей полетели частицы, которые вы видите. Теперь, что вы видите в результате анализа данных? Вы видите, что столкнулись протоны. Перпендикулярно оси столкновения полетели частицы с какой-то энергией, с каким-то импульсом. А в другом направлении ничего не полетело. Но вы вынуждены сделать одно из двух заключений. Либо вы должны сказать, что у вас не сохраняется, нет сохранения импульса. Вдоль этой оси вдруг появился импульс. Частицы полетели сюда, сюда не полетели. Или вы должны сказать, что появились какие-то новые частицы, которые в этом направлении, в перпендикулярном, улетели. Вы их не смогли зарегистрировать, а в сумме они сложились, всё нормально. Закон сохранения импульса, энергии. Всё хорошо.

Пока на сегодняшний день интерпретация такого рода событий идёт именно в том русле, что если появляются процессы, которые выглядят, как несохранение энергии импульса, то это рождение частиц, которые вы не регистрируете на большом адроном коллайдере. Это способ искать частицы тёмной материи. Другой способ, в лабораториях подземных. Следующий способ. Вот у нас есть частицы тёмной материи, которые летают в галактике со скоростью 10 с минус три, так же как звёзды. С точки зрения гравитации они такие же звёзды, точно так же на них всё действует. Гравитация – универсальная сила, действует на всё, что угодно. Вот они летают в галактике, ну, и время от времени через нас пролетают. Если посмотреть, на очень маленьких расстояниях, мы с вами, на самом деле, пустые. Вокруг, вот тут одно ядро, там другое ядро, между ними всё пустоты. Вот эти частицы пролетают в этой пустоте, никак не взаимодействую. Но иногда, время от времени, такое может произойти, они подлетают близко к ядру и  тогда по нему ударяют. И тогда что вы видите? Если вы все ядра держите в поле зрения, такую макроскопическую картинку, вот у вас все шары бильярдные в поле зрения, только один у вас шар откатился в сторону. Интерпретируете такое явление вы, как соударение частицы тёмной материи с обычным веществом и вы ищете явление передачи энергии импульса, как говорят, вот шарику, в данном случае ядру, за которым вы наблюдаете. Ну, и третий способ регистрации, поиска такого рода частиц. Частицы у вас есть, летают в галактике и возможны такие ситуации, когда частицы тёмной материи две вместе встречаются. Или частицы и античастицы. Тогда, если есть взаимодействие с нашими частицами, они могут, как говорят, проаннигилировать. Две частицы тёмной материи аннигилируют и рождают нам обычные частицы нашей материи, которые мы с вами регистрируем: фотоны, нейтрино, не знаю, протоны, антипротоны, нейтроны, позитроны, что-то ещё, что мы с вами можем наблюдать. Это другой способ регистрации частиц тёмной материи.

Все три способа, за каждым из них стоит масса экспериментов. Люди пытаются найти частицы тёмной материи, как вы сами догадываетесь, пока с отрицательным результатом, иначе я бы говорил о чём-то одном, а не вот о таких вот общих вещах. Ну, опять-таки, простейшая ситуация. Кинематика прямо школьная, потому что частицы двигаются со скоростью 10 в степени минус три. Обычная классическая механика. Можно оценить, как два бильярдных шарика, один успокоился, мы его знаем, это ядро, мы за ним следили, мы охладили тело, так что ядро успокоилось. А второе – это частица, массу которой мы не знаем, но знаем её скорость. Скорость – 10 минус три. Вот такая частица ударила нам по ядру. А что мы ищем? Мы ищем энерговыделение, вот которое произошло. То есть мы ищем скорость, с которой ядро откатилось. И по скорости мы, на самом деле, с вами можем, ну, заключить, какая была масса у частицы тёмной материи. Существует масса способов регистрации вот такого-то явления отката бильярдного шара, но только для ядра. И обычные современные эксперименты используют несколько способов регистрации, чтобы точно быть уверенным, что вы увидели не какое-то событие от каких-то нейтрино или другой обычной физики, которую вы уже знаете. К сожалению, опять, как я сказал, никаких результатов положительных нет, есть только ограничения, которые представляют на плоскости масса частицы и вероятность взаимодействия, так скажем. На рисунке здесь масса частицы соответствующей тёмной материи и в области масс тех же самых, с которыми мы имеем дело с обычным веществом, у нас, значит, бывают от водорода до урана, ну, вот фактор 200 примерно, 250. Вот здесь тоже фактор 200-250 по массам частиц. Везде, значит, эти частицы ищут, пока нигде не находят.

Время от времени появляются сообщения даже в новостях обычных, что вот нашли какие-то частицы, возможно сигналы от частиц тёмной материи. Пока, к сожалению, никаких подтверждений, то есть, чтобы сигнал в какой-то области пространства параметров одновременно был замечен на двух разных экспериментов, пока такого нету. Другой способ регистрации – это вот аннигиляция частиц тёмной материи. Ну, представим, что есть некое небольшое взаимодействие этих частиц. Вот эти частицы пролетают через Солнышко, например, и немножечко об него трутся. Если они могут, потеревшись, потерять энергию, достаточную для того, чтобы остаться в Солнце, притормозиться и остаться в Солнце. Вот Солнышко летает и накапливает такие частицы, а частицы постепенно опускаются к центру Солнца. В центре Солнца концентрациях их повышается, повышается вероятность того, что частицы тёмной материи встретят себе подобные и проаннигилируют в частицы наши, которые мы можем регистрировать. То же самое в Земле, на самом деле, происходит. То же самое в любом другом астрономическом объекте. Замечательно. Значит, мы можем смотреть на такие объекты, на звёзды и смотреть от них сигнал. Но что изнутри звезды к нам может прийти? Единственная частица, которую мы знаем и которые могут к нам из центра звезды прийти, это, так называемые, нейтрино. Такие загадочные частицы, которые участвуют только в слабых взаимодействиях, которые Паули ввёл там в 30-х годах 20-го века, которые, если говорить о Земле, то самый главный источник нейтрино на Земле – это Солнце. Там идут термоядерные реакции и из Солнца вылетают нейтрино, пролетают его насквозь. А если говорить о Земле, то рукотворные источники антинейтрино – это ядерные реакторы, а источник природный – это центр Земли, там происходят распады химических элементов и антинейтрино тоже оттуда выбираются наружу. Мы их регистрируем, и это так называемые геонейтрино.

Замечательно. Частицы тёмной материи проаннигилируют в центре этих объектов, будут вылетать оттуда нейтрино. Надо нейтрино уметь регистрировать. Очень больших энергий. А как эти частицы регистрировать? Нейтрино – это частицы, которые участвуют только в слабых взаимодействиях, значит, напрямую их зарегистрировать нельзя. Но можно использовать слабые взаимодействия, чтобы с помощью слабых взаимодействий родить частицы, которые мы можем регистрировать. И такие частицы есть. Это электроны и мюоны. Мюоны – это аналог электронов, только тяжелее и нестабильны немножко, но так, в принципе, полный аналог электрона, значит, элементарная частица. Что происходит? Ну, летит нейтрино и в каком-то месте происходит переход: за счёт слабых процессов рождаются электрон или мюон. Дальше вот эту частицу, электрон или мюон, нам надо с вами научиться регистрировать. На самом деле, энергия, о которой здесь идёт речь, и вот мионы и электроны, которые здесь рождаются, они ультрарелитивистскими оказываются, но события такие редкие очень, и чтобы их увидеть, нужен детектор очень большого размера, нужно мониторить, следить за объёмом очень большого размера. Вот была предложена идея. Чтобы следить за не каким-то вот таким детектором на столе, а прямо следить за каким-то куском, например, мирового океана. Просто запустить туда детекторы, а саму воду использовать как рабочее вещество, в котором происходит рождение этих элементарных частиц. И такая идея была реализована. Вот в моём институте есть такой Байкальский нейтринный телескоп. О чём идёт речь? Что, собственно, используется? Когда нейтрино в результате слабых взаимодействий рождает электрон или мион, эти частицы летят в воде. И летят они в воде со скоростью, превышающей скорость света в воде. В такой ситуации есть явление Вавилова-Черенкова черенковское излучение, так называемое. За это тоже в своё время дали Нобелевскую премию по физике. Это, наверное, первая Нобелевская премия советских физиков была.

То есть летит частица, излучает свет. В воде светит. Соответственно, в воду можно запихнуть детекторы, которые регистрируют свет и по этому свету, по форме этого света (такой получается конус светящийся) можно судить о том, что там появился релятивистский электрон или релятивистский мюон. Ну, и, соответственно, таким образом регистрировать нейтрино, в частности, от центра Солнца, в надежде, что это нейтрино, которые пришли от аннигиляции частиц тёмной материи. Но вот такого рода телескоп был реализован на озере Байкал. Вот в этом месте на берегу стоят лаборатории, а дальше кабель идёт под водой по дну и, значит, внутри озера натянуты такие вот как канаты мощные. Глубина здесь 1360 метров. Это, значит, прикреплены они ко дну озера Байкал, а вот здесь такие детекторы, вот такого рода фотоумножители, которые регистрируют свет. Вот так их погружают на дно. Погружение происходит со льда Байкала примерно в марте месяце. Тогда, с одной стороны, лёд ещё довольно прочный, но с другой стороны, не такой большой, и можно его расковырять и вот опускать туда внутрь таких фотоумножителей. Вот они на этих струнах. Вот здесь вот товарищ в скафандре, вот тут вот эти фотоумножители. Они ищут свет от такого рода событий. Вот так само устройство, такие гирлянды этих фотоумножителей в надежде увидеть сигнал от нейтрино. На сегодняшний момент вот так вот выглядит карта сигнальная. Синенькие точки – это точки вот этого эксперимента. А зелёненькие точки – это точки другого эксперимента такого же типа, но только в Антарктиде. Называют эксперимент ICECUBE на Южном полюсе. Там что делают? Сделали уже.

Там лёд. Антарктида покрыта льдом. И люди вытопили такие желоба льда на глубину несколько километров. Туда внутрь опустили вот такие детекторы. Ну, и та же самая история со светом, который регистрирует. Только свет не в воде, а во льду. Объём, наблюдаемый вот здесь вот области кубический километр. Вот здесь приведена Эйфелева башня для сравнения. Результаты сейчас такие. Опять-таки, наблюдаемые данные пока не указывают на сигнал от тёмной материи из-за Солнышка. С другой стороны, этот эксперимент в этом году обнаружил, так называемые, космические нейтрино. А именно сигнал от нейтрино, которые приходят к нам из далёкого космоса. Рождаются частицы очень энергичные. Рождаются они в процессах, в ядрах активных галактик, очень далеко от нас. Такие мощные астрофизические ускорители, не рукотворные ускорители, которые есть у нас, а мощные астрофизические ускорители, которые создала природа, с энергией много больше, чем у нас сейчас доступна на большом адронном коллайдере. Вот там рождаются нейтрино и к нам прилетают, и вот порядка двадцатки-тридцатки событий есть, которые зарегистрировал этот эксперимент, который указывает на то, что вот такого рода событий сейчас видны и соответствующая физика вот этих активных ядер может быть исследована с помощью такого рода телескопа. Ну, а тёмной материи пока нет. К сожалению. Вот эти все эксперименты такого рода, они развиваются, люди пытаются достигнуть более высоких ограничений, повысить уровень чувствительности, как говорят, к сигналу частиц тёмной материи. Но, к сожалению, из общих соображений, и даже с точки зрения развития физики частиц это не единственный кандидат на роль частиц тёмной материи, вот то, что мы здесь предполагаем.

Есть другие объекты, есть другие частицы, которые совсем по-другому выглядят и которые нужно искать совсем другими способами, в других экспериментах, другого типа экспериментов. И на что здесь поставить, на какую технологию, поиск каких типов частиц следует развивать в первую очередь, к сожалению, непонятно. Например есть объекты, так называемые аксионы. Это частицы, у которых масса, здесь я написал в электронвольтах, масса 10 в минус 5-й электронвольт. 10 в минус 5-й электронвольт – это, если говорить о частоте или о длине волны – это примерно вот сантиметр. То есть это, на самом деле, это не частица элементарная, это вот прямо какая-то такая макроскопическая вещь. И такого рода частицы ищут в резонаторах, а именно, есть объём, внутри объёма магнитное поле и ждут появления следующего объекта. Значит, если аксион такой пролетает через объём с магнитным полем, то там возможен переход его в фотон. В фотон вот такой частоты и регистрация такого фотона, возникшего ниоткуда. Другой способ регистрации такого рода частиц – это, как говорят, свет, который проходит через стенку. Стена, лазер или другой источник, мощный источник излучения. Магнитное поле стоит до стенки. Если там происходит такого рода рекомбинация в такого рода частицу, то эта частица может пройти через стенку, а свет через стенку не проходит. Там за стенкой стоит ещё один источник магнитного поля и этот аксион, если может пройти, конвертирует обратно в фотон и вы должны увидеть свет, который прошёл через стену. Вот такого типа эксперименты проводятся. Опять-таки, всё это гипотетические частицы, всё это идеи. Пока нет подтверждения экспериментальных реализаций той или иной идеи.

Другие варианты: стерильные нейтрино, объекты которые нужно искать совсем по-другому. Это частицы, которые, например, в галактике редко, иногда, чуть-чуть должны распадаться. И что нужно искать? Нужно искать линию, монохроматическую линию излучения в рентгеновском диапазоне. Соответственно, рентгеновские телескопы должны быть на орбите с очень хорошим энергетическим разрешением. Это совсем другого типа детекторы, совсем другого типа технологии, совсем другого типа частицы тёмной материи. Ну, и вообще говоря, что-то совсем новое. Более того, это могут быть совсем не частицы. Там мы с вами говорили, что вот эти вот явления, которые мы с вами описали, которые мы не можем объяснить сегодняшней физикой, а это все явления нехватки гравитационных потенциалов на тех или иных масштабах. Возможно, у нас другая гравитация и нужно изменять гравитацию, а не искать новые частицы. Такого рода вопросы тоже люди задают и пытаются модифицировать гравитацию. И вообще, здесь любые идеи, они приветствуются. Только нужео, чтобы эти идеи не противоречили имеющимся уже экспериментальным данным. На сегодняшний момент проводятся поиски частиц тёмной материи или другого рода объяснений явлений тёмной материи в разных направлениях с той или иной интенсивностью, но, к сожалению, везде пока с одинаковым результатом, а именно, отрицательным. Частиц тёмной материи нет. Может быть, мы пока ещё не придумали правильную гипотезу ту, что реализовалась в природе, а, может быть, мы вообще не понимаем это явление и подходим к нему с какой-то неправильной стороны. Вот такая сегодня ситуация.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель