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

Грибы-копыта Грибы-копыта

Грибы, которые можно встретить почти в любом лесу

Наука и жизнь
«Виды доброты» в Каннах: как Йоргос Лантимос рассказывает о власти и любви «Виды доброты» в Каннах: как Йоргос Лантимос рассказывает о власти и любви

Что представляют из себя три новеллы в фильме Йоргоса Лантимоса «Виды доброты»

Forbes
Хладнокровная любовь Хладнокровная любовь

Отправляясь в апрельский лес, я не помышлял ни о какой свадьбе

Наука и жизнь
«Монтессори: Воспитание любовью»: байопик о женщине, которая изменила педагогику «Монтессори: Воспитание любовью»: байопик о женщине, которая изменила педагогику

«Монтессори: Воспитание любовью»: фильм про педагога, чья методика покорила мир

Forbes
Цикличность большого взрыва Цикличность большого взрыва

Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизнь
Как самопожертвование портит отношения Как самопожертвование портит отношения

Когда можно идти на уступки, а когда это лишь навредит и вам, и отношениям

Psychologies
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

О том, как удалось обнаружить и «взвесить» одну из сверхмассивных чёрных дыр

Наука и жизнь
Феноменальное открытие: как атомные часы с квантовой запутанностью изменили развитие науки в мире Феноменальное открытие: как атомные часы с квантовой запутанностью изменили развитие науки в мире

JILA создал часы, используя квантовую зависимость

Inc.
Трава дачного уюта Трава дачного уюта

Стоит только подумать о лесных травах, и сныть вспоминается, пожалуй, первой

Наука и жизнь
Как взять в отпуск всё, что надо, но обойтись небольшой сумкой: 8 советов опытных путешественников Как взять в отпуск всё, что надо, но обойтись небольшой сумкой: 8 советов опытных путешественников

Отпуск был бы прекрасен, если бы не предшествующие ему сборы

VOICE
Правильные слова Правильные слова

Сегодня наш язык снова меняется. Действительно ли он при этом портится?

Вокруг света
Ландшафтная терапия. Горы, лес, море – что подойдет именно тебе для отдыха Ландшафтная терапия. Горы, лес, море – что подойдет именно тебе для отдыха

Чтобы получить от отпуска только пользу, важно правильно расставить приоритеты

Лиза
Зёрна в хлебе Зёрна в хлебе

В России с самых давних времён любили вкус ржаного хлеба

Наука и жизнь
Владимир Владимирцев: Во всем мире камни делят на цветные и бриллианты, но не в России Владимир Владимирцев: Во всем мире камни делят на цветные и бриллианты, но не в России

В чем тонкости русской огранки, как сочетать творчество и законы физики

СНОБ
«Извне», «Защищая Джейкоба» и «Дом с прислугой»: 10 лучших сериалов последних лет в жанре триллер «Извне», «Защищая Джейкоба» и «Дом с прислугой»: 10 лучших сериалов последних лет в жанре триллер

Собрали многосерийные триллеры, которые можно осилить за выходные

Правила жизни
Готовы ли мы оказать помощь: за это отвечает определенный регион мозга, который нашли ученые Готовы ли мы оказать помощь: за это отвечает определенный регион мозга, который нашли ученые

Нейробиологи установили регион мозга, ответственный за помощь другим

ТехИнсайдер
А ведьмы кто: краткая история инквизиции между мифом и реальностью А ведьмы кто: краткая история инквизиции между мифом и реальностью

Что из историй об инквизиторах имеет под собой реальные основания, а что выдумка

Правила жизни
Макак научили чувствовать ритм Макак научили чувствовать ритм

Обезьяны ритмично двигали рукой под музыку за вознаграждение

N+1
Какие популярные игры были запрещены в разных странах Какие популярные игры были запрещены в разных странах

Собрали 8 известных игр, которые были запрещены в ряде стран

Maxim
«Кладбище самолетов»: какой у лайнеров срок годности и что с ними происходит, когда они больше не могут летать «Кладбище самолетов»: какой у лайнеров срок годности и что с ними происходит, когда они больше не могут летать

У всего в этом мире есть срок годности, даже у самолетов. Но где их «кладбища»?

ТехИнсайдер
Новое увлечение у подростков: что такое фурри Новое увлечение у подростков: что такое фурри

Почему подростки интересуются культурой фурри?

Psychologies
Эмоциональный шантаж: что это и как понять, что вы с ним столкнулись Эмоциональный шантаж: что это и как понять, что вы с ним столкнулись

Выслушивали ли вы когда-нибудь просьбу или требования против своего желания?

Psychologies
К коже нежно К коже нежно

Какими будут последствия «уколов красоты» спустя годы?

Лиза
Бешеные скорости, безумные деньги и крутые копы: все, что вы хотели знать о немецких автобанах Бешеные скорости, безумные деньги и крутые копы: все, что вы хотели знать о немецких автобанах

Немецкие автобаны: может быть, не все правда, что о них толкуют?

ТехИнсайдер
Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте Подводные лодки с воздухонезависимыми силовыми установками в российском и советском флоте

Подводные лодки с двигателями внутреннего сгорания замкнутого цикла

Наука и техника
«Папа римский и война: Неизвестная история взаимоотношений Пия XII, Муссолини и Гитлера» «Папа римский и война: Неизвестная история взаимоотношений Пия XII, Муссолини и Гитлера»

Кто руководил кампанией против евреев в Италии

N+1
Удивительный мир живой природы: как общаются между собой живые организмы Удивительный мир живой природы: как общаются между собой живые организмы

Самые необычные способы коммуникации из мира фауны

ТехИнсайдер
Александр Ширвиндт: «Главное — не допустить, чтобы тебя жалели» Александр Ширвиндт: «Главное — не допустить, чтобы тебя жалели»

«Мы играли что-то необыкновенно острое. Дико бичевали пороки!»

Караван историй
«ОКМО» возможностей «ОКМО» возможностей

Индекс коммуникационной состоятельности  медийных команд атомных городов

Позитивные изменения
Ученые узнали, почему реки Аляски начали ржаветь Ученые узнали, почему реки Аляски начали ржаветь

Почему реки Аляски окрасились в странный оттенок, который видно даже из космоса?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении