Темная Материя Часть 2. Сколько там Нормальной материи?

Этан Зигель, блог Starts with a Bang!
23 сентября 2009 года

Long you live and high you fly
Smiles you'll give and tears you'll cry
All you touch and all you see
Is all your life will ever be. -Pink Floyd

В первой части этой серии статей мы рассуждали о различных способах - и все с использованием гравитации - чтобы измерить количество материи в галактиках, скоплениях галактик и всей Вселенной. Мы получили те же значения вне зависимости от того, какой метод мы использовали - 25-30% всей энергии Вселенной есть некая форма материи. Но всего 0.5% всей энергии находится в звездах, что значит, что практически вся эта материя не производит света! Так что она из себя представляет?

Ну, одна из возможностей - что это такая же материя, как мы - протоны, нейтроны и электроны. Все-таки мы обладаем массой и не производим света! Может быть, наша Солнечная Система - где 99% массы составляет Солнце - это редкость? Или, как кто-то прокомментировал:

-Почему вас так удивляет, что может быть во Вселенной масса, совсем не излучающая света? Если это все, что подразумевается, когда говорится о "темной материи", кажется очевидным, что таковая существует (например, Фобос и Плутон не излучают много света).

Ну, как космолог, могу предложить несколько трюков, чтобы испытать это утверждение. То, что лежит на поверхности, можно выдумать 4 теста, с помощью которых можно определить, сколько гравитационной материи состоит из обычных частиц - протонов, нейтронов и электронов.

1.) Газовая составляющая кластеров. Многие скопления галактик излучают рентгеновские лучи, которые производятся горячим, энергичным газом различных температур. Из этой информации можно вычислить какой процент массы кластера составляют пыль и газ, которые являются обычной материей. Ответ - практически всегда - находится в районе 13-15% любого кластера. Это значительно больше, чем 2%, находящихся в звездах, но по-прежнему значительно меньше, чем 100%.

2.) Космологическое скучивание галактик. Из-за гравитации галактики и кластера группируются вместе, но как они это делают сильно зависит от того, из чего они состоят. Сделайте все из нормальной материи (физики ее еще называют барионной), и вы увидите, что они группируются совсем по-другому, чем если бы они состояли из темной материи. На этом графике из моего любимого учебника по космологии, можно увидеть резкую разницу между вселенной, состоящими из нормальной (барионной) материи и вселенными из Горячей Темной Материи (HDM), Холодной Темной Материи (CDM) или их смеси (MDM):

Так что мы реально видим? Что-то, что очень хорошо совпадает с графиком CDM, но с небольшими, крохотными изгибами. В общем, мы можем сделать вывод, что масса Вселенной состоит на одну шестую из барионов и пять шестых из холодной темной материи.

3.) Ядерный синтез. Это мой любимый метод отличия барионов и другой материи, возможно потому, что существует давно. А также еще самый простой. В очень ранней Вселенной, все еще было горячим и плотным, и ядра атомов еще не сформировались. Все представляло собой бульон свободных фотонов, протонов, нейтронов и электронов. Когда Вселенная охладилась достаточно, протоны и нейтроны сформировали дейтерий, гелий и литий. Сколько вещества сформировалось из этих элементов? Это сильно зависит от того, сколько во Вселенной нормальной, барионной материи. И от этого очень много зависит. Мы делаем измерения, вычисления и получается, что не более 4-5% всей энергии Вселенной может быть в барионной форме.

4.) Реликтовое излучение. Эти крохотные температурные флуктуации - всего миллионные доли градуса - могут рассказать нам невероятно много о том, что есть во Вселенной. Можете сами попробовать вычислить (используя CMBfast), как выглядели бы эти температурные флуктуации, если бы барионы составляли 25-30% и как - 4-5% всей материи. Различия очевидны, и не оставляют сомнений - материя, которую мы ищем, не может состоять целиком из барионов.

Поэтому можно взять одно или (как я) все 4 вышеуказанных наблюдения. Как бы вы ни пытались, вся материя не может состоять целиком из привычного нам материала, который мы знаем и любим. И поэтому, вы можете заключить, что это значит, что есть некий новый тип материи, добавляющий гравитации, но не излучающий никакого света.

Но все эти наблюдения базируются на допущении - что у нас правильная теория гравитации. А она правильная? Или все-таки можно перехитрить гравитацию, чтобы объяснить наблюдения без введения нового типа материи? Приходите к нам снова, чтобы узнать ответ на этот вопрос в следующей части.