Гало комкующейся тёмной материи с различными плотностями и огромной, рассеянной структурой, которую предсказывают симуляции. Для масштаба показана светлая часть галактики. Поскольку тёмная материя есть везде, она должна быть и в нашей Солнечной системе. Так почему же мы её до сих пор не увидели?
Согласно огромному объёму свидетельств, большая часть Вселенной состоит из некоей массы загадочного типа, которую мы ни разу не измерили напрямую. Протоны, нейтроны и электроны – и вообще вся материя, состоящая из частиц, входящих в Стандартную Модель – из которой состоят планеты, звёзды и галактики, обнаруживаемые нами по всей Вселенной, составляет лишь 15% её общей массы. Остальное состоит из чего-то совершенно другого: холодной тёмной материи. Но если тёмная материя есть повсюду и в огромных количествах, почему мы не увидели в Солнечной системе? Именно такой вопрос задаёт наш читатель:
Все свидетельства наличия тёмной материи и тёмной энергии относятся к далёкому космосу. Довольно подозрительно, что мы не видим никаких свидетельств их существования здесь, в нашей Солнечной системе. Никто никогда не сообщал ни о каких аномалиях в орбитах планет. Однако их очень точно измерили. Если Вселенная на 95% тёмная, такие эффекты можно было бы измерить локально.Так ли это? Это была одна из первых мыслей, пришедших мне в голову, когда я впервые узнал о тёмной материи (ТМ) 17 лет назад. Давайте разбираться и выяснять истину.
Космическая паутина тёмной материи и формируемая ею крупномасштабная структура. Нормальная материя присутствует, но составляет лишь 1/6 от общего количества материи. Оставшиеся 5/6 – тёмная материя, и никакому количеству обычной материи с этим не справиться
Основная идея ТМ состоит в том, что в какой-то момент в очень юной Вселенной, до появления галактик, звёзд или даже нейтральных атомов, существовало почти идеальное и гладкое море ТМ, распределённой по всему пространству. Со временем гравитация и другие силы прошли через несколько взаимосвязанных этапов:
- вся материя, нормальная и тёмная, притягиваются гравитацией,
- участки с плотностью выше среднего вырастают, притягивая оба типа материи,
- излучение сталкивается с нормальной материей и давит на неё,
- но с ТМ такого не происходит, по крайней мере, не происходит точно таким же образом.
Это создаёт весьма определённый рисунок участков повышенной и пониженной плотности во Вселенной; рисунок, проявляющийся, когда мы смотрим на реликтовое излучение (РИ).
Флуктуации РИ настолько малы и имеют настолько характерный вид, что они убедительно свидетельствуют о том, что Вселенная в самом начале имела повсюду одинаковую температуру, а также содержала тёмную материю, обычную материю и тёмную энергию в определённых пропорциях.
РИ – это остаточное свечение Большого взрыва: излучение, попавшее в наши глаза, пройдя путь с того момента, когда во Вселенной впервые сформировались стабильные нейтральные атомы. Сегодня мы наблюдаем фотографию Вселенной при переходе от ионизированной плазмы до электрически нейтрального набора атомов, когда давление излучения становится пренебрежимо малым. Холодные участки соответствуют регионам повышенной плотности, поскольку излучению приходится тратить дополнительную энергию (больше среднего) на то, чтобы выбраться из этих гравитационных колодцев; горячие участки – соответственно, регионы с пониженной плотностью.
Участки повышенной, средней и пониженной плотности, существовавшие, когда Вселенной было всего 380 000 лет, теперь соответствуют холодным, средним и горячим участкам РИ
Рисунок холодных и горячих участков на всех масштабах, которые мы можем наблюдать, и корреляция между ними, сообщают нам о составе Вселенной: 68% тёмной энергии, 27% ТМ, 5% нормальной материи. Со временем эти участки повышенной плотности вырастали в звёзды, звёздные скопления, галактики и галактические скопления, а участки пониженной плотности отдавали свою материю окружавшим их участкам повышенной плотности. И хотя мы можем видеть лишь нормальную материю, благодаря тому, что она испускает и взаимодействует со светом и другими видами излучения, ТМ – доминирующая сила, отвечающая за гравитационный рост структур Вселенной.
Тщательное изучение Вселенной демонстрирует, что она состоит из материи, а не из антиматерии, что ТМ и тёмная энергия необходимы, и что нам неизвестны источники всех этих загадок. Однако флуктуации РИ, формирование и корреляции между крупномасштабными структурами, и современные наблюдения гравитационного линзирования указывают на одну и ту же картину.
Поскольку нормальная материя взаимодействует и с самой собой, гравитационный коллапс для нормальной и тёмной материй происходит по-разному. Комок нормальной материи, собравшись под воздействием гравитации, начинает сжиматься. Сжатие сначала идёт по самому короткому измерению, но нормальная материя взаимодействует и сталкивается с другими частицами нормальной материи – точно так же, как ваши руки, хотя они и состоят из атомов, представляющих собой почти пустое пространство, будут хлопать, когда вы попытаетесь провести одну руку через другую. Это взаимодействие приводит к появлению вращающегося диска материи – именно из него и проистекает всё, от дисковых (спиральных) галактик до солнечных систем, планеты в которых движутся по орбитам, лежащим в одной плоскости. Тёмная материя, с другой стороны, не сталкивается ни с самой собой, ни с нормальной материей, из-за чего остаётся в виде крупных и чрезвычайно разреженных гало. И хотя тёмной материи больше, чем обычной, её плотность, допустим, в нашей галактике, гораздо меньше в тех местах, где есть звёзды.
Во время обращения Земли вокруг Солнца меняется наше движение сквозь ТМ в нашей галактике, поэтому её гало должно демонстрировать различные свойства взаимодействия
И теперь мы подходим к основному вопросу. Каким образом ТМ воздействует на Солнечную систему? Большая часть того, что вы, вероятно, представляете себе, так или иначе будет верным: частицы ТМ должны летать в пространстве повсеместно, включая и всё пространство Млечного Пути. А это значит, что ТМ должна быть в Солнечной системе, в Солнце, должна проходить сквозь нашу планету и наши тела. Большой вопрос следующий: по сравнению с массами Солнца, планет, других объектов Солнечной системы, какова будет интересующая нас масса ТМ?
В Солнечной системе в первом приближении орбиты планет определяет Солнце. Во втором приближении большую роль играют и все другие массы (планеты, луны, астероиды, и т.п.). Но чтобы добавить сюда ещё и ТМ, нужно очень сильно повысить точность.
Для ответа нам необходимо сначала понять, что определяет орбиты объектов внутри нашей Солнечной системы. С большим отрывом доминирующей массой в Солнечной системе будет Солнце. С очень точным приближением оно определяет орбиты планет. Но для Венеры планета Меркурий будет внутренней, и в первом приближении орбиту Венеры определяют общая масса Солнца и Меркурия. Орбиту Юпитера определяют сумма массы Солнца и всех внутренних планет, а также пояса астероидов. Для любого объекта в целом его орбита определяется общей массой, заключённой в воображаемой сфере с центром в Солнце и этим объектом на краю сферы.
В Общей теории относительности, в случае равномерного распределения ТМ (или любой массы) в пространстве, на движение объекта влияет только масса, заключённая внутри его орбиты; однородная масса снаружи орбиты ни на что не влияет [теорема Биркгофа / прим. перев.]
Если существует море ТМ, пронизывающее всё то пространство, где находимся мы с вами – всю Солнечную систему – то внешние планеты должны взаимодействовать с чуть большей её массой, чем внутренние. И если тут есть достаточно много ТМ, то должен быть способ её обнаружить. Поскольку мы знаем массу Млечного Пути, относительную плотность нормальной и тёмной материи, и у нас есть симуляции, показывающие, как должна вести себя плотность ТМ, мы можем выдать очень неплохие оценки. И после проведения таких расчётов оказывается, что на орбиту Земли должно влиять порядка 1013 кг ТМ, а на орбиту такой планеты, как Нептун – 1017 кг.
Но эти цифры крохотные по сравнению со всеми остальными массами! Масса Солнца равна 2 × 1030 кг, масса Земли – 6 × 1024. Упомянутые нами массы в промежутке 1013 — 1017 кг сравнимы с массой скромного астероида. Когда-нибудь, возможно, мы и сможем понять Солнечную систему настолько точно, что сможем засечь такие крохотные различия, но пока мы превышаем эту погрешность где-то в 100 000 раз.
Наша Галактика находится внутри огромного и рассеянного гало ТМ, поэтому ТМ должна течь и внутри Солнечной системы. Но плотность её крайне мала, поэтому её очень сложно обнаружить местно
Иначе говоря, ТМ должна быть в Солнечной системе, и влиять на движение внешних планет не так, как на движение внутренних, из-за количества массы, находящегося в сфере с центром в Солнце и радиусом в расстояние до планеты. Вас может заинтересовать вопрос, может ли взаимодействие многих тел, а именно, ТМ, планет и Солнца, привести к захвату дополнительного количества ТМ. Это интересная проблема, и я писал работу на эту тему порядка 10 лет назад. Мы с коллегами обнаружили, что плотность ТМ может повыситься очень сильно, но только если не учитывать, что захваченная масса, что весьма вероятно, будет выкинута обратно. Но даже с таким увеличением, максимальная масса ТМ, после 4,5 млрд лет (на графике – пурпурный) всё равно находится гораздо ниже всех наблюдаемых ограничений.
Количество галактической ТМ, находящейся внутри орбит планет разного радиуса нашей Солнечной системы (синий), и общее количество ТМ, которое должно было быть захвачено за всё время жизни Солнечной системы, без учёта выбросов её обратно, а также наилучшее ограничение, взятое из работы 2013 года, по максимальному количеству ТМ, которое в принципе может находиться у нас. Мы пока не добрались до возможностей проверить её наличие.
В нашей Солнечной системе действительно есть ТМ, и она должна оказывать реальное влияние на все остальные частицы материи вокруг неё. Если существует перекрёстное взаимодействие между частицами нормальной и тёмной материи, тогда в экспериментах по прямому обнаружению должна быть возможность обнаружить её прямо на Земле. А если нет, то гравитационные эффекты ТМ, проходящей сквозь Солнечную систему, как захваченной, так и свободной гравитационно, должны влиять на орбиты планет. Но до тех пор, пока наши измерения не станут достаточно точными, этого гравитационного эффекта не будет достаточно ни для каких прямых обнаружений. Пока что нам приходится смотреть на Вселенную за пределами Солнечной системы, чтобы наблюдать воздействие ТМ на пространство-время.
