Итан Зигель. Как умер конкурент Темной Материи №1

Image credit: John Dubinski (U of Toronto).

... когда единственный путь к решению проблемы лежал через изменения закона гравитации, и самые лучшие наблюдения, которые мы только могли провести, полностью опровергли эти изменения.

Итан Зигель, Starts with a Bang

22 октября 2015 года

12 минут чтения

"Разница между тем, что мы ожидали, и что наблюдали, с годами все росла и росла, 

и мы деформировали нашу теорию все больше и больше, чтобы как-то восполнить эту разницу"

Иеремия Острикер (Jeremiah P. Ostriker)

Если вам интересен Большой Космос, Вселенная, а также то, что же представляет собой само ее существование, вы, возможно, слышали о Темной Материи, или, скажем, о проблеме Темной Материи. Давайте взглянем на нее при помощи самой передовой технологии наблюдений, которую  на текущий момент создал наш человеческий род.

Image Credit: NASA; ESA; and Z. Levay, STScI / minor modifications by me.

Конечно же, не на этом снимке - он показывает всего лишь, что можно увидеть слегка вооруженным биноклем глазом на небе - небольшой кусочек космоса, в котором видно некоторое количество тусклых и ничем не примечательных звезд - все они принадлежат нашей Галактике, и, совершенно понятно, что за ними ничего нет.

Но мы взглянули на такой и несколько других участков неба при помощи исключительно чувствительных приборов. Все, что требовалось - всего лишь навести камеру на совершенно не населенный звездами, скоплениями и галактиками кусочек тьмы и сделать большую экспозицию, чтобы дать возможность ее матрице накопить достаточно фотонов, летящих к нам от далеких и невероятно слабых источников света. На снимке сверху этот участок отмечен буквами XDF - экстремально глубокое поле Хаббла - настолько маленький кусочек, что подобных кусочков потребуется целых 32 миллиона, чтобы покрыть все небо. И вот, что увидел Хаббл.

Image credit: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team.

На этом снимке нашли 5500 отдельных галактик, и это значит, что в наблюдаемой нами Вселенной по крайней мере 200 млрд галактик. Но это впечатляющее число - не самое классное, что мы узнали о Вселенной, изучая огромное разнообразие найденных на нем галактик, их групп и скоплений. 

Давайте вспомним, что заставляет галактики светиться - вне зависимости от того, находятся они за соседней дверью или за сотни миллионов световых лет отсюда.

Image credit: Morgan-Keenan-Kellman spectral classification, by wikipedia user Kieff; annotations by E. Siegel.

Это все звезды! Одним из главных достижений астрофизики последних 150 лет было знание о том, как рождаются, живут и умирают звезды, о том, как они светятся. Когда мы измеряем свет, приходящий к нам от других галактик, мы можем тут же определить, что за типы звезд находятся там, и какова их примерная общая масса.

Помните об этом при дальнейшем чтении статьи - свет галактик, их групп и скоплений может дать нам информацию об общей массе их звезд. Но это не единственное, что можно измерить!

Image credit: Helene Courtois, Daniel Pomarede, R. Brent Tully, Yehuda Hoffman and Denis Courtois.

Мы можем также измерить, как движутся эти галактики, как быстро они вращаются, каковы их собственные скорости и т.п. Это невероятно мощно потому, что основано на действии закона гравитации - если мы измерим скорости этих объектов, мы можем судить о том, какова масса всей их материи!

Задумайтесь на минутку - закон гравитации универсален, он одинаков во всей Вселенной. То есть его действие на Солнечную Систему в точности такое же, как и на самые далекие галактики. И поэтому для измерения массы самых больших структур Вселенной у нас есть два способа:

1. Измерение их света на основе нашего знания жизненного цикла звезд, дает нам оценку того, какова общая масса их звезд.

2.  Мы можем измерить, как они движутся, зная, как и с чем они гравитационно связаны. Из этого можно получить оценку, какова их общая масса.

Внимание, вопрос - совпадают ли эти числа, и если да, то насколько хорошо?

 Image credit: NASA, ESA, and M. Postman and D. Coe (Space Telescope Science Institute), and the CLASH team, via http://www.spacetelescope.org/images/heic1217c/.

Так вот, они не просто не совпадают, они сильно отличаются! Если вычислить массу всех звезд, у вас получится одно число, и вычислить массу, которая должна там быть, как дает нам гравитация, сравнить получится разница в 50 раз! Такое соотношение наблюдается независимо от того, берете вы маленькие или большие галактики или группы галактик.

И это говорит нам о чем-то важном: или 98% массы Вселенной не находится в звездах, или наше понимание гравитации ошибочно. Рассмотрим первый случай, у нас тут много данных.

Image credit: Chandra X-ray Obseratory / CXC, via http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/chandraSimulations.html.

Кроме звезд в этой Вселенной есть множество других тел, обладающих массой, которая тоже должна включаться в галактики и скопления галактик, а именно:

• комки не светящейся материи - планеты, луны, подлунки (moonlets - перевел именно так, прим.перев.), астероиды, снежные комья и т.п.
• нейтральный и ионизованный межзвездный газ, пыль и плазма,
• черные дыры,
• останки звезд - такие, как белые карлики и нейтронные звезды,
• очень тусклые звезды-карлики.

Дело в том, что мы измерили распространенность этих объектов во Вселенной, или общее количество нормальной материи (то есть состоящей из протонов, нейтронов и электронов), самыми разнообразными путями, среди которых - распространенность легких элементов, космическое микроволновое излучение фона, крупномасштабная структура Вселенной, и различные астрофизические обзорные исследования. Мы даже смогли ужесточить ограничения на массу, вносимую нейтрино, и вот, что мы узнали.

Image credit: me, created at http://nces.ed.gov/.

Примерно 15-16% всей массы Вселенной составляют протоны, нейтроны и электроны, большинство из которых находятся в виде межзвездного (и межгалактического) газа и плазмы. Примерно 1% составляет скрытая масса нейтрино, а остальное - некий тип массы, который не представляет собой ни одну из известных нам частиц Стандартной Модели.

И вот тут появляется проблема Темной Материи. 

Но, возможно, постулирование существования некоего нового типа материи, неверное решение? Может быть, просто гравитация работает по-другому? 

Давайте пройдемся по краткой истории проблемы Темной Материи, и что мы узнали о ней с течением времени.

Image credit: Rogelio Bernal Andreo of http://www.deepskycolors.com/.

Крупномасштабная структура Вселенной - по крайней мере, изначально, была плохо понятна. Но, начиная с 30х, Фритц Цвики начал измерять свет, приходящий к нам от скоплений галактик, а также собственные движения галактик в них. Он обнаружил большую разницу в значениях массы звезд и общей массы, которая должна была быть там на основании закона гравитации - чтобы обеспечить связность скоплений галактик как единого целого.

Его работа была забыта на целых 40 лет.

Image credit: 2dF GRS, via http://www2.aao.gov.au/2dfgrs/Public/Survey/description.html.

Когда мы стали делать большие космологические обзоры в 1970х - такие, как PSCz, - их результаты начали показывать, что в дополнение к проблемам динамики скоплений Цвики, крупномасштабной структуре Вселенной, чтобы обладать именно таким строением, нужна была невидимая, небарионная масса. С тех пор положение усугубилось еще и обзорами 2dF (выше) и SDSS.

А еще в 1970х оригинальная и очень важная работа Веры Рубин привлекла внимание к вращающимся галактикам, где снова всплыла проблема темной материи.

Images credit: Van Albada et al. (L), A. Carati, via arXiv:1111.5793 (R).

На основе закона гравитации и того, что мы знаем о распределении нормальной материи в галактиках, можно было бы ожидать, что чем дальше от центра галактики, тем медленнее должны двигаться звезды по своим орбитам. Подобное наблюдается в Солнечной Системе - у Меркурия самая большая орбитальная скорость, чуть меньше - у Венеры, затем - у Земли, потом - у Марса и т.п. Но оказалось, что в галактиках скорость движения звезд по орбите постоянна - то есть там больше массы, чем та, которая находится в виде нормальной материи, или что нужно менять закон гравитации.

Image credit: The Aquarius Project / Virgo Consortium; V. Springel et al.

Темная материя была лучшим объяснением этих проблем, но никто не знал, барионная она или нет, какова ее температура, и как она взаимодействует с нормальной материей. В то время у нас были определенные ограничения на то, что она могла или не могла делать, и, некоторые ранние модели выглядели многообещающе, хотя и не полностью убедительными. И тут пришло время первого альтернативного решения.

Image credit: Stacy McGaugh, 2011, via http://www.astro.umd.edu/~ssm/mond/.

МОНД - Модифицированная Ньютоновская Динамика - была предложена в 1980х как феноменологическая, эмпирическая гипотеза для объяснения вращения галактик. Она отлично работала для небольших масштабов (на уровне галактики), но терпела неудачу на больших масштабах. Она не могла объяснить поведение скоплений галактик, крупномасштабную структуру Вселенной, и, среди других проблем, не объясняла также и распространенность легких элементов.

Когда специалисты по динамике галактик пытались ограничиваться только МОНД, а не темной материей, вследствие того, что она лучше объясняла кривые вращения галактик, все, кроме них относились к этому очень скептично, и вот по какой причине.

Image credit: ESA/Hubble & NASA, via http://www.spacetelescope.org/images/potw1403a/, Квазар-близнец, 

или первая гравитационная линза, открытая в  1979.

В дополнение ко своим неудачам в масштабах, больших чем галактики, это была не жизнеспособная теория гравитации. Она не была релятивистской, это означается, что она не могла объяснять такие вещи, как изгибание света большой массой, замедление времени или красное смещение, поведение двойных пульсаров или любые другие релятивистские явления, подтвержденные как следствия Общей Теории Относительности Эйнштейна. Святой Грааль МОНД - то, чего требовали от нее все сторонники Темной Материи, включая меня - релятивистская версия, которая могла бы объяснить кривые вращения галактик вместе с другими последствиями текущей теории гравитации.

Сегодня утром (22 октября 2015 года - прим. перев) NASA опубликовала новые снимки телескопа Хаббл, которые всматриваются еще глубже, чем раньше, благодаря гравитационным линзам, еще одному следствию Общей Теории Относительности. МОНД сама по себе не может объяснить ни само явление, ни множественность изображений галактик фона, ни вытянутые арки или степень их изгиба. 

Для всего этого нужна темная материя, или некоторый источник невидимой массы, который не состоит из известных нам на сегодня частиц Стандартной Модели. Но это вряд ли единственное доказательство, которое у нас есть, чтобы отвергнуть альтернативы Эйнштейновской относительности или даже ее гипотетические модификации, чтобы объяснить МОНД.

Image credit: A. Sanchez, Sparke/Gallagher CUP 2007.

Со временем, гипотеза темной материи стала давать все больше и больше космологических объяснений. По мере того, как крупномасштабная структура Вселенной становилась все более понятной, спектр энергии материи (вверху) и флуктуации космического микроволнового излучения (внизу) измерялись все лучше и лучше, оказалось, что темная материя отлично работает в космологических масштабах.

Image credits: я сделал эти графики при помощи CMBfast, с параметрами, содержащими темную материю (слева) четко совпадающими, а с параметрами, не содержащими темную материю (справа) -  не совпадающими с наблюдениями.

Иными словами, эти новые наблюдения - такие же, как и для синтеза ядер Большого Взрыва - хорошо согласовывались с тем случаем, когда Вселенная содержала в пять раз больше темной (не-барионной), чем обычной материи. 

И вот, в 2005 году, наконец, предполагаемое "дымящееся дуло" (термин, обозначающий в англоязычной литературе, абсолютную улику на месте убийства - пистолет с дымящимся дулом - прим. перев.) - было найдено. Мы обнаружили два скопления галактик, находящиеся прямо в процессе столкновения! Это означало, что, если гипотеза темной материи верна, то мы должны были обнаружить барионную материю - межзвездный/межгалактический газ, - которая сталкивается и нагревается, в то время как небарионная - темная материя - свободно проходит друг сквозь друга и даже не замедляется. На снимке ниже видны рентгеновские данные скопления Пуля розовым, а на них синим цветом наложены данные гравитационных линз.

Image composite credits: X-ray: NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch et al.;

Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al.;

Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Это была огромная победа темной материи, и, одновременно серьезный аргумент против теорий модифицированной гравитации: ведь если там нет темной материи, как скопление узнает, что ему нужно "отделить массу от газа" после столкновения, а не до него?

Тем не менее, в малых масштабах проблема темной материи по-прежнему еще остается - она по-прежнему не может объяснять вращение отдельных галактик лучше, чем модифицированная теория гравитации. И вот, благодаря TeVeS, релятивистской теории МОНД, сформулированной Якобом Бекенштейном (Jacob Bekenstein), кажется, теперь у МОНД появилось право на контрольный выстрел.

Оказалось возможным объяснить гравитационные линзы нормальной материей, а также некоторые релятивистские явления. И теперь можно попробовать найти четкий способ, чтобы отделить одно от другого - найти наблюдения, для которых предсказание TeVeS и ОТО будут различными! Так здорово, что в природе существует подобное явление!

Image credit: Max Planck Research, via http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf.

Вращающиеся нейтронные звезды - останки сверхмассивных звезд, которые стали сверхновыми, оставив о себе память в виде атомного ядра размером с Солнце, - очень маленькие объекты, всего несколько километров в диаметре. Представьте себе объект массой в 300 тысяч масс нашей планеты, сжатой в объеме в одну миллионную объема Земли! Можно себе представить, какие гравитационные поля могут иметь подобные ребята - пожалуй, самые сильные, которые только можно себе представить и которыми только можно проверить теорию гравитации.

Есть некоторые экземпляры нейтронных звезд, чью осевые "пучки" направлены точно на нас, и мы видим пульсирование излучения каждый раз, когда нейтронная звезда заканчивает очередной цикл вращения. Есть звезды, обращающие с частотой 766 раз в секунду! (Такие звезды еще называются пульсарами). Но в 2004 году была открыта еще более редкая система - двойной пульсар!

Image credit: John Rowe Animations, via http://www.jodrellbank.manchester.ac.uk/news/2004/doublepulsar/.

Последние десять лет за тесным гравитационным танцем этой системы пристально наблюдали, поскольку это самая лучшая проверка Общей Теории Относительности Эйнштейна. Видите ли, во время своего вращения эта тесная пара очень массивных объектов должна производить определенное количества гравитационного излучения. И, хотя у нас пока и нет технологии, чтобы измерить это излучение, мы можем измерить уменьшение орбит звезд, которое происходит из-за него! Одним из ученых, работающих над этой задачей, является Майкл Крамер из Института Радиоастрономии Макса Планка. Вот что он говорит на эту тему:

"Мы обнаружили с точностью до 0.9 мм, что орбиты звезд сокращаются на 7.12 мм каждый год"

Что TeVeS и ОТО говорят об этих наблюдениях?

Image credit: NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer, via http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf.

Наблюдения с 99.95% уверенностью (с ошибкой не больше 0.1%) согласны с предсказаниями ОТО и, что, более важно, - полностью опровергают любые физические реинкарнации TeVeS Бекенштейна. Как об этом лаконично выразился ученый Норберт Уекс (Norbert Wex):

"По нашему разумению, они опровергают TeVeS"

Только недавно была опубликована наиболее точная симуляция формирования крупномасштабной структуры Вселенной на принципах ОТО и Темной материи, которая полностью согласуется со всеми наблюдениями в пределах наших физических возможностей, смотрите невероятное видео Марка Вогельсбергера (Mark Vogelsberger):

https://www.youtube.com/watch?v=NjSFR40SY58

Все изложенное выше и является главной причиной, по которой конкурент Темной материи номер 1 больше не является ее конкурентом - его убила не политика, не догмы, не интриги. Его убили  сами наблюдения: пульсаров, сталкивающихся скоплений галактик, крупномасштабной структуры Вселенной, и гравитационных линз - всего вместе. 

То, что МОНД лучше объясняет вращение отдельных галактик, по-прежнему остается загадкой, но пока она не может предоставить объяснения всех других наблюдаемых нами явлений Вселенной, она продолжает оставаться лишь иллюзией научной теории.