Владимир Моисеев – Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя (страница 14)
Тем не менее, в новой статье американские физики-теоретики Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) не соглашаются с этим результатом, замечая, что межзвездную среду нельзя описывать как жидкость. В самом деле, средняя концентрация атомов водорода в межзвездной среде оценивается одной частицей на кубический сантиметр, что при характерных размерах атома дает длину свободного пробега порядка 1011 километров. Это существенно превышает длины зарегистрированных гравитационных волн, находящиеся в промежутке от 300 до 1500 километров. То же самое можно сказать и про длину свободного пробега частиц темной материи. Они предложили рассматривать космическую материю как бесстолкновительный газ и проверили, как гравитационные волны ведут себя на его фоне.
Неожиданно оказалось, что в рассмотренной модели затухание волн не происходит — вместо этого скорость гравитационных волн уменьшается на небольшую величину, пропорциональную плотности материи и длине волны. Более того, это изменение настолько мало, что измерить его даже в далеком будущем не представляется возможным. Для гравитационной волны с наибольшей возможной длиной волны, сравнимой с радиусом видимой Вселенной, это изменение составляет менее одной миллионной от скорости света, а для зарегистрированных обсерваториями LIGO/Virgo волн — менее 10−43 от скорости света. Так что в настоящее время темная метрия не может оказать заметного эффекта на распространение гравитационных волн.
Но на ранних этапах жизни Вселенной, когда темная материя двигалась с релятивистскими скоростями, она могло более заметно сказываться на распространении гравитационных волн. Пересматривая используемые приближения и, заново решая уравнение, ученые получили, что это действительно так, и первичные гравитационные волны могут нести в себе информацию о состоянии вещества на ранних этапах — например, о константах связи и плотности энергии, которые входят в выражения для фазового сдвига и закон дисперсии. К сожалению, первичные гравитационные волны имеют низкую частоту и должны были подавляться на более поздних этапах эволюции Вселенной.
Наблюдения группы LIGO и присоединившейся к ней в августе прошлого года обсерватории Virgo позволяют ученым подробно исследовать гравитационные волны и проверить, существуют ли необычные эффекты, которые предсказывают теории за пределами Стандартной модели и Общей теории относительности. Например, с помощью этих наблюдений физикам удалось установить ограничения на массу гравитонов, скорость гравитационных волн, размерность и модуль упругости пространства-времени, в котором мы живем. Кроме того, в будущем, когда точность гравитационных детекторов вырастет, с их помощью можно будет отличить экзотические компактные объекты от черных дыр и подтвердить существование первичных черных дыр.
nplus1, 8 июня 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/06/08/Dark-GW
Physical Review D 2018
Рафаэль Флагер (Raphael Flauger) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg)
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.123506
https://arxiv.org/abs/1801.00386
Глава 11-3-6
Новая эпоха в поисках темной материи
Октябрь 2018
Начиная с 1970-х гг. астрономы и физики собирали доказательства присутствия во Вселенной темной материи: таинственной субстанции, которая выдает свое присутствие только по гравитационному воздействию на нормальную материю. Однако, несмотря на большое число предпринятых попыток, ни одна из новых частиц, предложенных на роль частиц темной материи, так и не была обнаружена. В новом обзоре, опубликованном двумя учеными из Амстердамского университета, Нидерланды, Жанфранко Бертоне (Gianfranco Bertone) и Тимом Тэйтом (Tim Tait), говорится, что настало время расширить и диверсифицировать эксперименты по поискам темной материи, а также включить в эти поиски астрономические обзоры неба и наблюдения гравитационных волн. Статья опубликована в журнале Nature.
На протяжении трех последних десятилетий поиски темной материи были сфокусированы на частицах-кандидатах, известных как «слабо взаимодействующие массивные частицы», или ВИМПы (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). ВИМПы долгое время считались идеальными кандидатами на роль частиц темной материи, поскольку они, с одной стороны, могли быть произведены в ранней Вселенной в требуемом теорией количестве, а с другой стороны, помогали разрешить важные проблемы физики элементарных частиц, такие как большое расхождение между масштабом энергии слабого и гравитационного взаимодействий.
И хотя это решение 30 лет назад казалось вполне естественным, тем не менее, никакие из экспериментов, проведенных в течение последних 30 лет, не выявили убедительные доказательства существования ВИМПов. Бертоне и Тэйт считают, что наступает время расширить и диверсифицировать экспериментальные стратегии, «не оставляя при этом камня на камне».
Уникальность настоящего времени для кампании по поискам темной материи состоит в том, что сегодня уже разработан ряд методов, позволяющих значительно расширить возможности этих поисков. Бертоне и Тэйт, в частности, указывают на астрономические обзоры неба, в ходе которых крохотные вариации формы галактик, связанные с изменением формы гало из темной материи, окружающих эти галактики, или гравитационных искажений потоков света, идущего со стороны галактик, могут быть использованы для получения новых сведений о природе темной материи. Кроме того, считают Бертоне и Тэйт, значительную поддержку при поисках темной материи могут оказать наблюдения гравитационных волн – впервые успешно проведенные учеными в 2016 г. Объединение этих методов с традиционными методами поисков частиц темной материи в ускорителях частиц может дать возможность совершить прорыв в этом направлении в ближайшем будущем.
Astronews, 6 октября 2018
https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=11324
Журнал Nature, 2018
Жанфранко Бертоне (Gianfranco Bertone) и Тим Тэйт (Tim Tait), Амстердамский университет, Нидерланды
Глава 11-3-7
Астрофизики зарегистрировали движение темной материи
Январь 2019
Международная команда исследователей изучила карликовые галактики и обнаружила, что звездообразование в них связано с движением и нагреванием темной материи. Ученые обнаружили доказательство того, что темная материя может нагреваться и перемещаться в результате звездообразования в галактиках. Новые данные предоставляют первое наблюдательное доказательство эффекта, известного как «нагревание темной материи», а также указывают на то, из чего темное вещество может состоять. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Ученые из Университета Суррея, Университета Карнеги – Меллона и Швейцарской высшей технической школы Цюриха искали признаки темной материи в центрах ближайших карликовых галактик – маленьких, тусклых галактиках, обычно вращающихся вокруг более крупных галактик, вроде Млечного пути. В них может содержаться информация, которая в дальнейшем может помочь нам лучше понять природу темной материи.
Считается, что Вселенная в основном состоит из темной материи. Однако, из-за того, что она не взаимодействует со светом таким же образом, как это делает обычная материя, ее можно наблюдать только посредством ее гравитационных эффектов. Тем не менее, ключ к ее изучению может заключаться в звездообразовании в карликовых галактиках.
Во время формирования звезд, сильный ветер может расталкивать газ и пыль из центра галактики. В результате, галактический центр уменьшается в массе, а это в свою очередь влияет на то, сколько гравитации испытывает оставшаяся темная материя. При меньшем гравитационном притяжении темная материя получает энергию и мигрирует из центра галактики – этот эффект называют «нагреванием темной материи».
Команда астрофизиков измерила количество темной материи в центрах 16 карликовых галактик с очень разной историей звездообразования. Они обнаружили, что галактики, звездообразование в которых прекратилось очень давно, имели большие плотности темной материи в своих центрах, чем те, в которых звезды еще продолжают формироваться. Это поддерживает теорию о том, что в более старых галактиках нагревание темной материи происходит меньше.
«Мы нашли поистине замечательное взаимоотношение между количеством темной материи в центрах этих маленьких карликов и звездообразованием, испытанных ими за время своего существования, – объясняет ведущий автор исследования, профессор Джастин Рид. – Похоже, что темная материя в центрах звездообразующих карликов «разогревалась» и вытеснялась».
Эти данные накладывают новые ограничения на модели темной материи: она должна быть способна формировать карликовые галактики, демонстрирующие диапазон центральных плотностей, которые должны соответствовать количеству звездообразования.
«Это исследование может быть «самым горячим» доказательством, на шаг приближающим нас к пониманию того, что такое темная материя. Наше открытие того, что она может нагреваться и перемещаться помогает мотивировать к поиску частицы темной материи», – говорит соавтор исследования, профессор Мэтью Уокер.