Спросите Итана: может быть, недостающая антиматерия спрятана внутри чёрных дыр?

Автор оригинала: Ethan Siegel
  • Перевод

Представление художника о планетарной системе Кеплер-42. У нас есть все основания полагать, что вся она состоит из материи, а не из антиматерии, но чёрные дыры, возможно, расскажут нам совсем другую историю – у нас нет возможности установить, из чего они состоят

Одна из величайших космических загадок всей Вселенной – почему материи в ней настолько больше, чем антиматерии. Законы физики, насколько они нам известны, позволяют создавать и уничтожать материю и антиматерию строго в равных долях. Однако же, глядя на звёзды, галактики и крупномасштабные структуры Вселенной, мы обнаруживаем, что все они состоят из материи, а количество антиматерии пренебрежимо мало. Это космическая загадка заставляет многих людей рассуждать о том, что, возможно, и существовало равное количество антиматерии, а затем она каким-то образом отделилась от материи. Возможно ли это, и могла ли антиматерия спрятаться в чёрных дырах? Наш читатель спрашивает:
Существует загадка наличия материи и отсутствия соответствующего количества антиматерии. Некоторые удалённые и старые чёрные дыры сформировались гораздо быстрее, чем могут предсказать текущие теории. Может ли пропавшая антиматерия прятаться внутри этих доисторических чёрных дыр? Сравнима ли масса сверхмассивных чёрных дыр хотя бы приблизительно с количеством пропавшей антиматерии?
Мысль захватывающая. Давайте углубимся в эту теорию и разберёмся.


Галактическое скопление MACSJ0717.5+3745 должно состоять из материи, как и мы, или же на линии прямой видимости мы увидели бы свидетельства аннигиляции материи с антиматерией

В каком бы направлении мы ни наблюдали Вселенную, везде мы видим одно и то же: галактики и звёзды, во всех направлениях и всех местах пространства, по крайней мере, в среднем. На мелких масштабах, конечно, галактики скапливаются вместе, но если изучить крупнейшие масштабы, у Вселенной повсюду окажутся в среднем одинаковые свойства (например, плотность). Если бы в каком-то месте существовала галактика, состоящая из антиматерии, а не из материи, мы бы увидели огромное количество свидетельств аннигиляции материи/антиматерии, и дефицит материи на границе между материей и антиматерией. То, что мы нигде не нашли подобных свидетельств — ни в отдельных галактиках, ни в скоплениях галактик, ни в сталкивающихся скоплениях галактик — говорит нам о том, что на 99,999%+ Вселенная состоит из материи, как мы, а не из антиматерии.


В скоплениях, галактиках, соседних с нами звёздных системах, в нашей собственной Солнечной системе – везде существуют серьёзнейшие ограничения на долю наличия антиматерии. Нет сомнений – везде во Вселенной доминирует материя.

А это странно, поскольку, согласно текущему пониманию законов физики, нам неизвестны механизмы, которые позволили бы создавать больше материи, чем антиматерии. Симметрия материи и антиматерии, в терминах физики частиц, постулируется даже более строго, чем вы могли себе представить. К примеру:
  • каждый раз при возникновении кварка создаётся и антикварк,
  • каждый раз при уничтожении кварка уничтожается и антикварк,
  • каждый раз при появлении или уничтожении лептона, точно так же создаётся или уничтожается антилептон того же лептонного семейства,
  • каждый раз, когда кварк или лептон вступают во взаимодействие, сталкиваются или распадаются, итоговое количество кварков и лептонов по окончанию реакции (кварки минус антикварки, лептоны минус антилептоны) остаётся постоянным.

Единственный способ получить больше материи во Вселенной – также создать больше антиматерии.


Получение пары материя/антиматерия (слева) из чистой энергии [фотонов] – реакция полностью обратимая (справа), материя/антиматерия могут аннигилировать, превратившись в чистую энергию. Процесс создания и аннигиляции, подчиняющийся уравнению E = mc2 — единственный известный способ создавать и уничтожать материю или антиматерию.

Стандартная интерпретация этих фактов заключается в том, что, пока непонятно, как, но в прошлом Вселенной материи появилось больше, чем антиматерии. В стандартной картине горячего Большого взрыва, когда Вселенная была очень молода, было создано огромное количество пар частица-античастица для всех известных (и даже тех, что мы откроем позже) частиц. Всё оттого, что при высоких температурах и плотностях можно спонтанно получать новые пары частица-античастица из чистой энергии, благодаря E = mc2 Эйнштейна. В равных количествах эти пары аннигилируют, снова производя чистую энергию (фотоны). С охлаждением Вселенной энергия для изготовления новых пар заканчивается, и начинает преобладать аннигиляция.


С расширением и охлаждением Вселенной нестабильные частицы и античастицы распадаются, пары материя-антиматерия аннигилируют, а фотоны уже не способны сталкиваться с энергией, достаточно большой для создания новых частиц.

Если бы у нас не было асимметрии материи и антиматерии, то получилась бы Вселенная, в которой на каждый протон существует по 1020 фотонов и один антипротон. Там было бы примерно столько же электронов и позитронов, сколько протонов и антипротонов – и всё. Вместо этого, однако, мы наблюдаем Вселенную, в которой на каждый протон приходится «всего» 1-2 млрд фотонов. Мы предполагаем, что в ранней Вселенной происходил некий асимметричный процесс, породивший эту асимметрию. Простым примером было бы создание нового набора частиц и античастиц с различными предпочтениями по поводу каналов распада, что могло бы привести к небольшому преимуществу материи над антиматерией.


Симметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X, Y, анти-X и анти-Y) могла бы, при определённых свойствах Теории великого объединения, породить асимметрию материи-антиматерии, наблюдаемую нами во Вселенной сегодня.

А что же насчёт нашей новой идеи? Что, если, в какой-то из ранних моментов, что-то заставило антиматерию схлопнуться в чёрные дыры, оставив нормальную материю позади? Ведь мы действительно наблюдаем очень ранние сверхмассивные ЧД в большом количестве! Однако их происхождение не обязательно является проблемой или хорошей мотивацией для поддержки такой необычной идеи. Всё, что можно объяснить без привлечения новой физики, необходимо так и объяснять, а что до сверхмассивных ЧД – мы думаем, что тут всё дело в прямом коллапсе. Некоторым ЧД для появления не нужно, чтобы сначала была звезда, которая сгорела бы и превратилась в сверхновую; они просто схлопываются, что и могло породить достаточно крупные «семена» ЧД достаточно быстро, чтобы объяснить наличие молодых квазаров, которые мы сегодня наблюдаем.


Удалённые массивные квазары в своём ядре имеют сверхмассивные чёрные дыры. Их очень сложно создать, не имея крупного «семени», но чёрная дыра прямого коллапса может достаточно элегантно разрешить эту загадку. Мы также можем рассчитать массы центральных ЧД, исходя из свойств квазаров, и, хотя они невероятно крупны, в них содержится гораздо меньше массы, чем в нормальной материи Вселенной.

Так что не смотрите в сторону сверхмассивных ЧД. Есть ещё идея о первичных чёрных дырах, которую периодически воскрешают в качестве кандидата на объяснение тёмной материи. Они не могут быть слишком лёгкими, или они очень быстро испарились бы; они не могут быть слишком тяжёлыми, или мы заметили бы их. Большую часть промежутков массы, в которые должна укладываться масса первичных ЧД, претендующих на объяснение недостающей массы Вселенной, уже исключили или взяли в очень жёсткие рамки. Для создания первичной ЧД необходима флуктуация плотности (отклонение от средней плотности) в 68%, но в ранней Вселенной крупнейшие флуктуации не отклонялись от средней плотности больше, чем на 0,006%. На самом деле, единственный дозволенный промежуток масс, укладывающиеся в который первичные ЧД могли бы отвечать за достаточно большую долю тёмной материи, уже был отвергнут LIGO. Его наблюдения за скоростью слияния ЧД говорят о том, что суммарная масса этих ЧД, содержащих в себе от 10 до 100 солнечных масс, не превышает 0,000017% от критической плотности.


Ограничения на тёмную материю, состоящую из первичных ЧД. Единственное доступное «окошко», в котором тёмная материя может состоять из чёрных дыр, недавно было закрыто ограничениями, полученными с LIGO на стохастический фон чёрных дыр именно такого промежутка масс.

Далее, мы смогли оценить общую массу ЧД во Вселенной, и она составляет порядка 0,007% общей энергии. Учитывая, что нормальной материи в 700 раз больше, чем ЧД, антиматерия не может прятаться в них; антиматерия не порождала ЧД.

Но у нас есть ещё один способ узнать это: у законов физики есть правила симметрии, которым должны удовлетворять материя и антиматерия. Одно из этих правил распространяется на силы, действующие на частицы: какая бы сила ни действовала на частицу, на античастицу должна действовать сила такой же величины (возможно, с противоположным знаком). Но это работает в обе стороны, поэтому сил, действующих только на антиматерию, быть не может. Если вы хотите, чтобы что-то воздействовало на антиматерию Вселенной, оно должно воздействовать и на материю.


Смена частицы на античастицу и одновременное отражение их в зеркале представляет собой CP-инвариантность. Если анти-зеркало распадается не так, как нормальное, инвариантность нарушается. Симметрия по времени, или T, нарушается, если нарушается CP. Комбинированная симметрия C, P и T должна сохраняться согласно текущим законам физики, что влияет на то, какие взаимодействия могут происходить, а какие не могут.

Поэтому, учитывая имеющиеся законы физики, мы уверены, что антиматерия не могла бы вся схлопнуться и превратиться в ЧД, оставив нормальную материю позади. Если количество тёмной и нормальной материи было бы одинаковым, такие рассуждения имели бы смысл, но следующих пунктов:
  • нам не нужна экзотическая физика для появления сверхмассивных ЧД в ранней Вселенной;
  • первичные ЧД не вписываются в представление о формировании структур Вселенной, и существование большого их количества, по большей части, исключено;
  • антиматерии запрещено испытывать взаимодействия, приводящие к их превращению в ЧД, при том, что из нормальной материи ЧД не получалось бы.

достаточно, чтобы вернуться к стандартной картине. Каким-то образом Вселенная произвела больше материи, чем антиматерии, в какой-то момент в очень далёком прошлом, и именно поэтому смогли появиться и мы с вами. То, каким именно образом это случилось, остаётся одной из величайших нерешённых загадок сегодняшней физики.


Ранняя Вселенная была заполнена материей и антиматерией, находившимися в море излучения. Но когда всё это после охлаждения аннигилировало, осталось немножко материи. Точное описание этого процесса известно под названием проблемы бариогенезиса, и остаётся одной из величайших нерешённых задач физики.
Поддержать автора
Поделиться публикацией

Комментарии 19

    0
    на мой взгляд, нет симметрии в объяснении.
    мы доверяем физике образования черных дыр из любой материи.
    и тут же признаем, что эта физика не обеспечивает объяснения происхождения преобладания обычной материи.

      0
      Может где-то и скопились ЧД из антиматерии массой много больше 500 миллионов тонн. Но такие ЧД теряли бы существенную часть массы за время жизни Вселенной, что на практике означает, что уже испарились бы до планковской массы.
        0
        Но такие ЧД теряли бы существенную часть массы за время жизни Вселенной

        Каким образом? На испарение массивной ЧД потребуются триллионы++ лет, и это при условии, что излучение Хокинга будет преобладать над поглощением окружающей материи. При текущей плотности материи во Вселенной, ЧД пока не грозит испарение.

        Или, вы предполагаете, что ЧД образовавшаяся из антиматерии, вела бы себя иначе?
          0
          Я вот и посчитал — для указанной мною маленькой массы в 500 миллионов тонн время испарения будет 19 миллиардов лет (приблизительно, для такой малой массы наверное теория не совсем точно работает). Но действительно, с высокой вероятностью такие ЧД наберут окружающиего водорода с большей скоростью, чем будут терять энергию от испарения.
          По поводу ведущих себя не так ЧД — не факт, что будет какя-то разница. Для описанной мною малой массы какой-то вклад в испарение дает появление электрон-позитронных пар, но процесс не должен зависить от того, из какого вещества состояло ЧД.
        0
        Ну пользуясь бритвой Оккама приходим к выводу — при Большом Взрыве появилась только материя. А вот почему это уже другой вопрос.
          0

          Или материя и антиматерия, только материи больше появилось чем антиматерии.

            0
            Я конечно не спец по астрономии, но. Кажется есть доказательства того, что есть много фотонов.
            Правда это никак не опровергает идею о том, что могло быть современное кол-во протонов (и прочих резонансов из того же состава 3 кварков) и электронов c в эпоху температуры kT = 75 ТэВ. Создать кучу фотонов они смогли бы без проблем.
            0
            Возможно, что антиматерия — это просто обычная материя но в ней временно изменен какой-то внутрениий параметр. Т.е. то, что ученые принимают за антиматерию, как самостоятельную сущность, на самом деле таковой не является. Позитрон — это электрон, в котором что-то изменено и он временно приобрел положительный заряд. Т.е. заряд — это следствие чего-то более фундоментального, что изменено в том же антинейтроне относительно нейтрона. И это некий параметр материи, а не ее неизменный структурный элемент. И изменяем его мы в своих ускорителях, а в естественной среде космоса этот параметр возвращается к своему нормальному состоянию.
              0
              Не «что-то», а вполне конкретное и известное.
              habr.com/post/411871
                0
                «барионное число и лептонное число»
                эти числа совсем не объясняют, почему в наблюдаемой вселенной в наличии только материя, не так ли? Следовательно, это просто какие-то «красивые» названия непойми чего, как впрочем почти всё в стандартной модели.
                Я всего лишь предлагал взлянуть на проблему шире. Беда всех, кто изучает микромир — святая вера в непогрешимость стандартной модели. Да, я знаю, что это лучшее, что смогло изобрести человечество. Но может быть проблема вообще в выбраном направлении мысли. Ведь стандартная модель — всего лишь попытка посфактум объяснить наблюдаемое.
                  –1
                  Эти числа не объясняют. И может с вероятностью 10^-6 какие-то частицы распадаются без сохранения этих 2 величин.
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                0
                Потому что давно решили, что на конец инфляции температура была на несколько порядков меньше. Скажем около энергии великого объединения только.
                Ну а ещё немного позже «остыли» кварки и лептоны до энергии меньше энергии покоя t-кварка.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    0
                    Температура — параметр, связанный со средней кинетической энергией. Правда зависит результат усреднения от того, какая зависимость вероятности от энергии.
                    Почему-то найденые мною источники описывают такую скромную температуру — «только» 10^28 К, в 1 случае — как описание «остывания» по закону (время в секундах)
                    10^10/(t^(1/2)).
                    Поле инфлатона может было, а может и нет. Я согласен с тем, что энергия должна была быть планковской, но тогда вопрос — энергия чего это была? Тогда уже были кварки, лептоны и бозоны или они внезапно возникли позже?
                0
                Инфляция! Инфляция может объяснить дисбаланс материи и антиматерии :)
                Ну а что? Объясняет же инфляция изотропность, однородность и плоскостность Земли Вселенной. Так с антиматерией — после БВ существовали микроскопические флюктуации отношения материи и антиматерии. Инфляция растянула эти флюктуации так, что мы видим вокруг только материю. :)
                  0
                  А подсчитать кол-во фотонов от первичной аннигиляции частиц мы не можем, так как все эти фотоны переизлучились много раз до остывания плазмы и образования равномерного распредления водорода и гелия.
                  P.S. Правда не равномерного, так как флуктуации плотности начинают считать ещё с флуктуаций «инфлатонного поля».
                  0

                  Данная проблема разрешается моделью образования материи и антиматерии путем растяжки виртуальных фотонов в симплы (типа анаполей Зельдовича – основа всех элементарных частиц) мощным магнитным полем лопнувшей сингулярности. Материя и антиматерия при этом образуется в равных количествах с двух сторон (двух магнитных полюсов) лопнувшей сингулярности. Асимметрия образования материи и антиматерии на разных магнитных полюсах объясняется асимметрией процесса растяжки виртуальных фотонов мощным магнитным полем при разных ориентациях их магнитных моментов. В результате образуется две Вселенных с двух сторон лопнувшей сингулярности, одна из них состоит из материи, другая из антиматерии.

                    0
                    А вот из чего исходит, что все галактики состоят из материи? Да и вроде нет точных данных, гравитационно антиматерия притягивается или отталкивается? Но если отталкивается? Пустоты в миллиард световых лет вроде как есть — этого мало? Неизвестные высокоэнергетические излучения вроде тоже как есть? От чего ж не быть скоплениям галактик их антиматерии?

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое