Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики?

в 7:00, , рубрики: астрономия, избыток позитронов, Научно-популярное, позитроны, тёмная материя

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 1
Телескоп HAWC с широким полем обзора видит пульсары Геминга и PSR B0656+14 как маяки гимма-излучения, угловой размер которых оказывается большим, чем у Луны (она приведена для масштаба).

Несмотря на все наши знания законов физики и успехи Стандартной Модели и Общей теории относительности, у некоторых наблюдений явлений во Вселенной отсутствует всеобъемлющее объяснение. У Вселенной ещё полно загадок, от формирования звёзд до высокоэнергетических космических лучей. Хотя мы совершили много открытий, связанных с космосом, мы пока ещё не знаем всего. Значит ли это, что стоит приписывать любой неизвестный эффект действию тёмной материи? Наш читатель спрашивает:

Про тёмную материю обычно пишут, что она не взаимодействует с материей, кроме как через гравитацию. Так как же её искать? Это похоже на старую загадку с чёрными дырами, засасывающими всё вокруг. А потом я читаю в другой статье, что её можно обнаружить и другими средствами, а не только через гравитационное линзирование. Каким образом происходит её аннигиляция? Похожа ли она на аннигиляцию позитронов с электронами?

Тут перечислено очень много загадок и много свидетельств наличия тёмной материи. Но приписывать работе ТМ все загадки – не только близорукий подход, но и прекрасный пример демонстрации того, что происходит, когда у учёных заканчиваются хорошие идеи.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 2
Каждая из двух ярких крупных галактик в центре скопления Волос Вероники, NGC 4889 (слева) и NGC 4874 (справа, чуть поменьше размером), превышает в размере миллион световых лет. Но быстрое движение находящихся на периферии галактик свидетельствует о наличии большого гало из тёмной материи по всему объёму скопления

Тёмная материя рассеяна по всей Вселенной. Впервые её концепцию предложили в 1930-х для объяснения быстрого движения отдельных галактик в скоплениях, поскольку оказалось, что всей нормальной материи – состоящей из протонов, нейтронов и электронов – недостаточно для того, чтобы объяснить общее количество гравитации. Это звёзды, планеты, газ, пыль, межзвёздная и межгалактическая плазма, чёрные дыры и всё, что мы можем измерить. В поддержку тёмной материи говорит множество убедительных факторов.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 3
Космической сетью управляет тёмная материя, и структуры крупнейших масштабов определяются скоростью расширения и тёмной энергией. Небольшие структуры, расположенные вдоль нитей, формируются благодаря коллапсу нормальной материи, взаимодействующей электромагнитно.

И сюда входят не только галактики в скоплениях, хотя каждому скоплению однозначно это нужно. ТМ необходима для:

  • описания свойств вращения галактик,
  • формирования галактик различных размеров, от гигантских эллиптических галактик размером с Млечный путь до крохотных карликовых,
  • взаимодействий между парами галактик,
  • свойствами скапливания галактик и свойствами галактических скоплений на крупных масштабах,
  • космической сети, включая её нитевидную структуру,
  • спектра флуктуаций реликтового излучения,
  • наблюдаемых эффектов гравитационного линзирования у удалённых масс,
  • разницы между наблюдаемыми эффектами гравитации и присутствующей в сталкивающихся галактических скоплениях нормальной материи.

От малых масштабов отдельных галактик до Вселенной целиком необходима тёмная материя.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 4
Рентгеновские (розовый) и общие карты материи (синий) различных сталкивающихся галактических скоплений демонстрируют различие между нормальной материей и гравитационными эффектами – это одни из наиболее убедительных доказательств наличия тёмной материи. Альтернативным теориям гравитации приходиться становиться настолько натянутым, что многие считают их смехотворными

Если совместить это со всей остальной космологией, мы получим свидетельства того, что в каждой галактике, включая и нашу, содержится массивное разреженное гало окружающей её ТМ. В отличие от звёзд, газа и пыли в галактики, существующих в форме диска, гало ТМ должно быть сферическим, поскольку существует множество свидетельств того, что ТМ, в отличие от нормальной, основанной на атомах, материи, не уплощается при столкновении с самой собой или с обычной материей. Более того, ТМ должна быть наиболее плотной вокруг центра галактики, и уменьшаться в плотности по мере удаления, а также простираться, вероятно, на расстояние раз в десять превышающее распространение звёзд. Наконец, в каждом гало должны встречаться небольшие комочки ТМ.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 5
В соответствии с моделями и симуляциями все галактики должны быть окружены гало тёмной материи с пиком плотности в галактическом центре. Однако, если только ТМ не будет подчиняться определенным моделям и иметь конкретные свойства, объяснить избыток позитронов или гамма-лучей будет сложновато

Чтобы объяснить весь спектр перечисленных выше наблюдений и нескольких других, у ТМ не должно быть никаких других свойств, кроме следующих:

  • у неё должна быть масса;
  • она должна взаимодействовать гравитационно;
  • она должна двигаться медленно относительно скорости света с самых ранних времён;
  • она практически не должна испытывать другие типы взаимодействий.

Вот и всё. Все остальные взаимодействия жёстко ограничиваются, но не исключаются.

Так почему же, каждый раз при возникновении во время астрофизического наблюдения избытка какого-либо рода нормальных частиц – фотонов, позитронов, антипротонов, и т.д. – люди в первую очередь стремятся «обвинить» ТМ?

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 6
Если вы не знаете, как объяснить наблюдения, не связанные с гравитацией, сразу винить во всём ТМ – значит, хвататься за соломинку.

В ноябре 2017 команда, изучавшая источники гамма-излучения вблизи пульсаров, опубликовала свою работу в журнале Science, и попыталась лучше понять, откуда берётся наблюдаемый избыток позитронов. Позитроны, античастицы электронов, естественным образом появляются при ускорении частиц нормальной материи до достаточно высоких энергий, в результате чего при столкновениях могут появиться электрон-позитронные пары, исходя из эйнштейновской E = mc2. В экспериментах по физике частиц мы создаём эти пары на рутинной основе, а также можем видеть свидетельства создания позитронов в астрофизике — как напрямую, при поисках космических лучей, так и не напрямую, изучая энергетические признаки электрон-позитронной реаннигиляции.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 7
Характерные сигналы для электрон-позитронной реаннигиляции при низких энергиях, на линии фотона в 511 кэВ, были всесторонне измерены спутником INTEGRAL

Астрофизические признаки наличия позитронов видны вокруг центра Галактики, они концентрируются вокруг точечных источников вроде микроквазаров и пульсаров, расположенных в загадочном регионе нашей Галактики под названием "великий аннигилятор", и наблюдаются в виде рассеянного фона неизвестного происхождения. Ясно одно: в целом мы видим больше позитронов, чем следовало ожидать. Это было известно годами: в результате измерений PAMELA, Fermi, магнитного альфа-спектрометра на борту МКС. В последнее время обсерватория HAWC измерила гамма-лучи очень высокой энергии порядка ТэВ, что говорит о том, что с направления пульсаров среднего возраста к нам приходят очень сильно разогнанные частицы. Но, к сожалению, этого не хватает для объяснения избытка позитронов.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 8
Избыток позитронов высоких энергий объяснить трудно, но отсутствие спрямления графика спектра, продолженного благодаря измерениям HAWC, свидетельствует против того, чтобы причиной этому была тёмная материя

Но по какой-то причине с каждым новым измерением избытка позитронов или наблюдением астрофизического источника, который не может за него отвечать, сразу начинаются разговоры в стиле «мы не можем это объяснить, поэтому всему виной тёмная материя». А это плохо – существует довольно много кандидатов на астрофизические источники, не требующие никакой экзотики:

  • вторичное производство позитронов и гамма-лучей на других частицах,
  • микроквазары или иные поглощающие материю чёрные дыры,
  • очень молодые или очень старые пульсары, включая магнетары,
  • остатки сверхновых.

И это не полный список – просто примеры того, что может быть причиной этого избытка.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 9
Остатки сверхновой не просто выбрасывают обратно во Вселенную созданные во время взрыва тяжёлые элементы – наличие этих элементов можно определить с Земли

Многие учёные, работающие в этой области, склоняются к тёмной материи в основном потому, что если бы она аннигилировала и порождала гамма-лучи и частицы нормальной материи, это была бы революция и прорыв. Это был бы идеальный вариант для охотников за тёмной материей среди астрофизиков. Но выдача желаемого за действительное не работает, и, насколько мы можем судить, аннигиляция частиц тёмной материи всё ещё никак нами не обнаружена. И хотя ТМ всегда выделяют как возможное объяснение избытка позитронов, это не более вероятный вариант, чем активность инопланетян в случае со звездой Табби.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 10
Идея заключения звезды в оболочку из собирающего свет материала известна под именем «сфера Дайсона». Во время строительства она может закрывать всё больше и больше света звезды. Это маловероятное объяснение активности звезды Табби похоже на объяснение избытка позитронов с использованием ТМ

Я связался с Брендой Дингус, научным руководителем проекта HAWC, и она прокомментировала это так:

Нет сомнений в том, что у позитронов есть и другие источники. Однако, позитроны не распространяются далеко от источников и источников позитронов поблизости не так уж и много. Два наилучших кандидата в источники были обнаружены HAWC, и теперь нам известно количество выдаваемых ими позитронов. А ещё нам известно, каким образом эти позитроны рассеиваются от источников, и это происходит медленнее, чем считалось ранее. Следовательно, хотя мы подтвердили наличие поблизости источников позитронов, мы обнаружили, что позитроны очень медленно распространяются от источника, и поэтому не отвечают за обнаруживаемый на Земле избыток позитронов.

Когда вы вычёркиваете одну возможность, это увеличивает вероятность остальных. Однако, это не означает, что эти позитроны обязательно происходят из тёмной материи. Мы не имели этого в виду.

Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? - 11
Предполагаемый избыток позитронов, имеющийся в наблюдениях HAWC, говори о том, что лишь малая доля необходимого количества позитронов могла прийти от таких источников, как близко расположенные пульсары среднего возраста.

То, что данные с HAWC объясняют наличие только 1% от наблюдаемых в других экспериментах позитронов, действительно так, и это довольно примечательно – и говорит о том, что виновато в их наличии что-то другое. Когда у вас появляется наблюдение, которое не могут объяснить обычные идеи, например, избыток астрофизических позитронов, можно выдвинуть идею о том, что это ТМ демонстрирует давно разыскиваемые взаимодействия. Но гораздо более вероятно, что какой-то другой астрофизический процесс ускоряет известные, обыкновенные частицы, что и приводит к таким эффектам. Когда в науке появляется загадка, необходимо держать разум открытым для возможности революции, но делать ставки на обыденное. И никогда не верьте шумихе, заявляющей обратное.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля