Рядом с нами может существовать параллельный зеркальный мир, названный теневым

Наука и жизньНаука

Тёмное зазеркалье

Беседу ведёт Наталия Лескова

Одно из самых массивных известных скоплений галактик Abell 1689. Газ с температурой в 100 миллионов градусов, обнаруженный рентгеновской обсерваторией «Чандра», показан на этом изображении фиолетовым цветом, а галактики, по оптическим данным космического телескопа «Хаббл», окрашены в жёлтый цвет. По краям получившейся гравитационной линзы видны дуги искажённых дальних галактик. Их внешний вид зависит от распределения вещества в линзе и от относительного расположения линзы и далёких галактик. Источник:: NASA/CXC/MIT/E.-H Peng et al; NASA/STSc

Когда мы смотрим на окружающий мир, нам кажется, что мы видим всё. Ну, или почти всё. На самом деле это совсем не так, уверены астрофизики: мир полон невидимой тёмной материей. Более того, рядом с нами может существовать целый параллельный зеркальный мир, образно названный теневым. Какие частицы его наполняют? Может ли он быть отчасти видимым?

Рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Блинников, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ.

Сергей Иванович Блинников. Фото Ольги Шитовой

— Сергей Иванович, о загадочной тёмной материи сейчас слышали даже школьники, но никто толком не понимает, что это такое. А вы понимаете?

— Нет. К сожалению, пока мировая наука этого не понимает. Некоторые учёные даже считают, что нет никакой тёмной материи, а есть модифицированная гравитация. И у сторонников этой гипотезы, и у её противников есть свои аргументы, хотя наиболее весомые — за тёмную материю.

— Вы не сомневаетесь в существовании тёмной материи?

— Я не сомневаюсь. Она должна существовать. Я не верю, что все эффекты тёмной материи можно объяснить простой модификацией гравитации, потому что эффектов много. А вот различные модели тёмной материи способны многое объяснить.

— О каких эффектах речь?

Началось всё с парадокса Фрица Цвикки, который 90 лет назад первым в мире обнаружил, что суммарная масса видимых галактик в сверхскоплении галактик Coma (названо по созвездию Волосы Вероники, на латыни Coma Berenices) совершенно недостаточна для того, чтобы удержать их внутри скопления за счёт гравитации, поскольку их скорости достигают 1000 км/с. Для снятия этого парадокса он уже тогда использовал скрытую массу, которую называл Dunkle Materie («тёмная материя» по-немецки). Его открытие забыли почти на 40 лет, но в 1970-е годы возникла рентгеновская астрономия, она обнаружила огромные количества газа во всех скоплениях галактик. Газ оказался с температурой в несколько миллионов градусов. Такой горячий газ нельзя удержать в скоплениях даже с учётом его массы, он должен был бы давно испариться (как водород испарился из атмосфер планет земной группы). Тут-то вспомнили про Цвикки и тёмную материю.

Самый важный эффект — образование структур во Вселенной. Без тёмной материи их и, соответственно, нас с вами не было бы. По наблюдениям реликтового фонового излучения мы видим, что его отклонения от среднего значения или возмущения температуры (2,7 K) совсем ничтожны: на уровне нескольких микрокельвинов. Отсюда следует, что 13—14 миллиардов лет назад, на момент рекомбинации водорода, возмущения плотности вещества также были очень малы, на уровне одной стотысячной. С тех пор расстояния во Вселенной выросли почти в тысячу раз, и теория эволюции малых возмущений показывает, что контраст плотности мог бы вырасти не более чем в тысячу раз. Это означает, что возмущения от современного среднего значения плотности не превышали бы нескольких процентов.

— То есть никаких галактик, звёзд и планет, а значит, и людей не могло бы существовать?

— Именно. Сейчас во Вселенной в среднем плотность 10-29 г/см3. Эта оценка следует из экспериментального факта, что в настоящее время Вселенная практически плоская. Данное значение учитывает все виды энергии: барионы, тёмную материю и тёмную энергию. В барионной материи (то есть в обычном веществе) имеем примерно 10-31 г/см3. А в звёздах, в планетах плотность на 30 порядков больше (в нейтронных звёздах — на 45 порядков больше). Получается, что без учёта тёмной материи возмущения до нужных значений не нарастают. Дело в том, что возмущения в тёмной материи ещё до рекомбинации водорода могли быть гораздо больше, чем возмущения плотности обычного вещества. Сгустки тёмной материи быстро уплотнялись, и в созданные ими гравитационные ямы «падало» наше обычное вещество и очень сильно сжималось. Так и возник окружающий нас мир — со звёздами, планетами и животными...

Кроме того, есть отклонение света квазаров гравитацией от скоплений галактик, в результате чего мы видим множественные изображения одного и того же квазара. Это называют сильным гравитационным линзированием. Такое явление невозможно в Общей теории относительности, если учитывать только видимое вещество. Его на порядок меньше, чем нужно для такого гравитационного линзирования.

А есть ещё эффекты столкновения скоплений галактик, как, например, в знаменитом скоплении галактик Пуля. Когда одно скопление газа пролетает через другое, оно порождает мощную ударную волну, как от сверхзвукового реактивного самолёта. И газ тормозится. Но основные массы этих скоплений прошли друг сквозь друга без возмущения — значит, они реально не взаимодействуют и состоят из тёмной материи.

— Вы упоминали модифицированную гравитацию. Что это такое и чем она не устраивает астрофизиков?

— Это альтернативная теория гравитации, позволяющая объяснить некоторые эффекты без использования тёмной материи. Ньютоновская гравитация была скалярной теорией — достаточно было знать только одно число в зависимости от положения в пространстве, чтобы все эффекты описать. Но эта теория была нерелятивистской, то есть она не учитывала наличие в природе конечной скорости распространения всех сигналов, поэтому пришла в противоречие с экспериментом. Первой успешной релятивистской теорией гравитации оказалась тензорная Общая теория относительности Эйнштейна — в ней в каждой точке нужно знать 10 чисел.

В 1982 году израильский физик Мордехай Милгром создал теорию, которую назвал МOND — модифицированная динамика Ньютона (MOdified Newtonian Dynamics), но это была подгонка, а не настоящая физическая теория. Как должны знать выпускники средней школы, все скорости относительные, а ускорение в некотором смысле абсолютно: начнём двигаться с какой-то скоростью, и в нашей системе отсчёта все скорости изменятся, но ускорения останутся прежними. Так вот, гравитация массивных звёзд, по ньютоновской (и эйнштейновской) теории на расстоянии R от своего центра масс производит гравитационное ускорение g = GM/R2 (здесь M — масса, а G — гравитационная постоянная. — Прим. ред.). Это то самое g, которое и в школе изучают, — ускорение свободного падения. Для нас важнее, что это мера напряжённости гравитационного поля. Однако в MOND формула g = GM/R2 работает, только пока g больше предельного значения, приблизительно равного 1,2⋅10-8 см/с2. А далее по MOND оно спадает просто как 1/R. То есть начинает спадать медленно. Для Солнца переход на МОНДовский закон 1/R происходит на долях парсека. Для массивной галактики этот переход осуществляется на нескольких десятках килопарсек. Это объясняет наблюдаемую скорость обращения звёзд вокруг центров галактик на больших расстояниях.

Кривая вращения галактики M 33 (скорость вращения объектов вокруг центра галактики в зависимости от расстояния). Жёлтые точки получены из наблюдений за звёздами, синие — из наблюдений за водородными облаками. Штриховая линия — кривая вращения, рассчитанная при учёте только видимого вещества. Расхождение между двумя кривыми можно объяснить, только добавив ореол тёмной материи, окружающий галактику. На это явление впервые обратил внимание Фриц Цвикки, но для движения галактик в скоплении. Рисунок Mario De Leo на основе рисунка из статьи: Corbelli E., Salucci P. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 311:441—447 (2000).

Но MOND не может одновременно объяснить отклонение света квазаров в скоплениях галактик, парадокс Цвикки в скоплениях галактик и температуру газа в них. В каждом случае нужны разные параметры. Если, например, подогнать параметры для объяснения нашего с вами существования, то есть сделать так, чтобы в ранней Вселенной возмущения обычного вещества нарастали бы сильнее, чем в обычной гравитации без возмущений тёмной материи, то тогда не объясняются эффекты типа вращения галактик (парадокс Цвикки).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Обитатели пояса Койпера Обитатели пояса Койпера

Какие ещё небесные тела оказались в далёком поясе Койпера?

Наука и жизнь
5 самых необычных ролей Киану Ривза 5 самых необычных ролей Киану Ривза

Киану Ривз полон сюрпризов в своих ролях!

Maxim
Где рождается свет Где рождается свет

Что такое Солнце? Газовый шар плотнее воды, мощнейший термоядерный реактор

Вокруг света
Картель против барреля: почему ОПЕК не смогла вернуть нефть по $100 Картель против барреля: почему ОПЕК не смогла вернуть нефть по $100

Почему ОПЕК и ОПЕК+ не удается диктовать условия на нефтяном рынке

Forbes
Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Маруся Климова: «Приятно, когда в тебе увидели смысл жизни» Маруся Климова: «Приятно, когда в тебе увидели смысл жизни»

Маруся Климова недавно вышла замуж и с радостью делится своей историей

Караван историй
Жизнь без еды Жизнь без еды

Среди насекомых есть виды, которые во взрослом состоянии не питаются вовсе

Наука и жизнь
Альбина Мухаметзянова: «Моя жизнь трансформировалась благодаря «ЯРКО»!» Альбина Мухаметзянова: «Моя жизнь трансформировалась благодаря «ЯРКО»!»

«У нас не было времени долго раскачиваться — мы заходили в сформированный рынок»

Караван историй
Обитатели пояса Койпера Обитатели пояса Койпера

Готовы отправиться в фантастическое космическое путешествие?

Наука и жизнь
Медленно, но верно Медленно, но верно

Стиль питания – всего лишь набор пищевых привычек, менять их нужно постепенно

Лиза
Иллюзионист Иллюзионист

Формула одного проекта

Автопилот
Как не стать жертвой чистоты? Как не стать жертвой чистоты?

Мало кто догадывается, что средства чистоты могут стать причиной воспаления

Здоровье
Четыре сыра Четыре сыра

Как сменить город на деревню и стать сыроваром

Вокруг света
Сексуальный паразитизм сделал удильщиков самыми разнообразными глубоководными рыбами Сексуальный паразитизм сделал удильщиков самыми разнообразными глубоководными рыбами

Как удильщики стали самой разнообразной группой позвоночных в батипелагиали

N+1
Как сделать занятия бегом эффективнее с помощью смарт-часов Как сделать занятия бегом эффективнее с помощью смарт-часов

Как смарт-часы могут повысить вашу мотивацию в занятиях бегом?

CHIP
Мнимый безумец Мнимый безумец

Томмазо Кампанелла — монах, философ, мятежник, король мира, поэт и маг

Дилетант
«Как живые: Двуногие змеи, акулы-зомби и другие исчезнувшие животные» «Как живые: Двуногие змеи, акулы-зомби и другие исчезнувшие животные»

Какой была переходная форма от рыбы к четвероногому

N+1
Почему косатки атакуют лодки по всему миру — нашлось объяснение Почему косатки атакуют лодки по всему миру — нашлось объяснение

Оказалось, что юные косатки нападают на лодки просто ради забавы

Maxim
Как понять, заслуживает ли человек доверия? Как понять, заслуживает ли человек доверия?

На что стоит обратить внимание при общении с малознакомыми людьми?

Psychologies
«Мы имеем дело с советским конструктом „народного“» «Мы имеем дело с советским конструктом „народного“»

Светлана Адоньева о праздниках и ритуалах, создающих народ

Weekend
7 стратегий, чтобы пережить тяжелый день 7 стратегий, чтобы пережить тяжелый день

Техники поведения в трудной ситуации, которую нельзя изменить прямо сейчас

Psychologies
Самый богатый спортсмен за всю историю: жил две тысячи лет назад и получал больше Джордана Самый богатый спортсмен за всю историю: жил две тысячи лет назад и получал больше Джордана

Что, если мы скажем, что Джордан — не самый богатый спортсмен за всю историю?

Maxim
От ларьков поворот! От ларьков поворот!

Почему сотрудникам ГУЛАГа было строго запрещено пользоваться лагерными ларьками?

Дилетант
Женская манипуляция. Всегда ли это нужно и как не увлечься психологическими играми Женская манипуляция. Всегда ли это нужно и как не увлечься психологическими играми

Где та тонкая грань между неэкологичными манипуляциями и женской мудростью?

Лиза
Странная новая мода: зачем пилоты выключают двигатели перед приземлением Странная новая мода: зачем пилоты выключают двигатели перед приземлением

Как заходили на посадку раньше и почему мода включать двигатели появилась сейчас

ТехИнсайдер
Букет — маме, жене — цветок: новый тренд возмутил пользователей соцсетей Букет — маме, жене — цветок: новый тренд возмутил пользователей соцсетей

Кто дороже: мама или жена? Каждая занимает особое место в сердце мужчины

Psychologies
Я узнал, что у меня есть актерская семья: чем занимаются наследники голливудских семей Я узнал, что у меня есть актерская семья: чем занимаются наследники голливудских семей

Гид по самым известным голливудским семьям

Правила жизни
Новые пассажиры «Титаника» Новые пассажиры «Титаника»

Когда в 90-х годах упало финансирование науки, институты РАН выживали, как могли

Наука и техника
Было больно: MAXIM одним из первых посмотрел «Майор Гром: Игра» Было больно: MAXIM одним из первых посмотрел «Майор Гром: Игра»

Стала ли «Майор Гром: Игра» новым уровнем для российского кино?

Maxim
Вопреки санкциям: почему акции золотодобытчиков дорожают вслед за золотом Вопреки санкциям: почему акции золотодобытчиков дорожают вслед за золотом

Акции российских золотодобытчиков подорожали вслед за ростом мировых цен

Forbes
Открыть в приложении