Подавляющая часть массы в нашей Вселенной невидима, и какое-то время физики изо всех сил пытались понять, что это за неуловимая «вещь». Предполагается, что это какая-то частица, но есть надежда, что Большой адронный коллайдер может произвести частицу темной материи или что космический телескоп сможет обнаружить очевидные контрольные признаки столкновения частиц темной материи в гамма-излучении. Но до сих пор намеков было мало и далеко друг от друга; проблема, которая заставляет физиков-теоретиков придумывать новые идеи.
В умопомрачительной статье 2017 года для Nautilus знаменитый физик-теоретик Лиза Рэндалл исследовала одну из самых экстремальных возможностей темной материи. Вместо того, чтобы думать о темной материи как об одном типе частиц, может ли темная материя состоять из целого семейства частиц, которые создают темные звезды, темные галактики, темные планеты и, возможно, темную жизнь? Химия этой темной вселенной может быть столь же богатой и разнообразной, как и наша «обычная химия»."
Но пока не радуйтесь близости с этими "темными инопланетянами".
Проблема темной материи
Наша вселенная - прекрасное, но загадочное место.
За последние несколько десятилетий мы пришли к выводу, что 84,5 процента материи Вселенной невидимы. Учитывая довольно неуклюжее прозвище «темная материя», это вещество существует в состоянии, которое не взаимодействует с «обычной» материей. Как и «темная энергия», эти вещи «темны», потому что мы не понимаем, что они собой представляют.
Если бы на моем столе лежал комок темной материи, я бы не знал, что он там. На самом деле, комок темной материи вообще не мог «сидеть» на моем столе. Он провалится сквозь стол и пол и упадет в земную кору, устремившись к гравитационному колодцу в ядре нашей планеты. Или он может необъяснимым образом улететь в космос. Темная материя настолько слабо взаимодействует, что комок прошел бы через всю обычную материю, как будто ее там и не было.
На малых масштабах гравитационное воздействие темной материи ничтожно мало, но на космологических расстояниях присутствие темной материи определенно ощущается - это можно косвенно наблюдать по ее гравитационному влиянию на скопления галактик и по ее влиянию на вращение галактик. Итак, мы знаем, что он там, просто мы его не видим.
Однако мы не знаем, что "это" такое, хотя есть теории.
Обычная материя - она же барионная материя - взаимодействует посредством электромагнитных, гравитационных, слабых и сильных ядерных сил. Эти силы передают энергию и обеспечивают структуру всей материи. С другой стороны, темная материя обычно рассматривается как аморфное облако «вещества», которое не может взаимодействовать посредством электромагнитных, слабых или сильных взаимодействий. Поэтому предполагается, что темная материя является «небарионной».(Хотя есть несколько теорий, которые намекают на барионный источник темной материи - в частности, MACHO или массивные компактные гало. Можно наблюдать только гравитационные эффекты небарионной материи, когда достаточное количество материи слипается.
Ведущий кандидат в поиске темной материи - метко названный вимп, аббревиатура от слабо взаимодействующая массивная частица. Как следует из названия, эта гипотетическая частица не взаимодействует с обычной материей, поэтому она не барионная.
Устоявшиеся космологические модели предсказывают, что темная материя - будь то вимпы или какая-либо другая форма, такая как «аксионы», - определяет структуру нашей вселенной и обычно упрощается как «клей», который скрепляет нашу вселенную. Слипаясь, как расширяющаяся трехмерная паутина, темная материя влияет на эволюцию галактик. Подобно бусинкам на нитке, эти сгустки темной материи гравитационно загнали обычную материю в скопления галактик с огромными пустыми пустотами между ними.
Астроном Вера Рубин, наблюдая за вращением галактик, впервые заметила, что большую часть вещества в галактиках увидеть невозможно. Только небольшой процент виден в виде звезд, газа и пыли; остальное содержится в большом, но невидимом ореоле темной материи. Как будто наша видимая галактика из обычной материи - это всего лишь колпак массивного колеса темной материи, простирающегося далеко за пределы того, что мы можем видеть.
В исследовании, опубликованном Рэндалл и ее командой в 2013 году, более сложный взгляд на темную материю был изучен и применен к этой массивной «темной галактике», в которую встроена наша видимая галактика. С этой точки зрения, темная материя нашей галактики гало состоит не только из одного типа аморфной массы небарионной материи.
«Кажется очень странным предположить, что вся темная материя состоит только из частиц одного типа», - пишет Рэндалл в своей статье. «Непредвзятый ученый не должен предполагать, что темная материя не так интересна, как обычная материя, и что ей обязательно не хватает разнообразия материи, подобной нашей."
Богатая «вселенная теней»?
Подобно тому, как наша видимая Вселенная управляется Стандартной моделью физики - хорошо проверенным семейством частиц (включая знаменитый бозон Хиггса) и силами, в этом может действовать богатая и разнообразная модель частиц темной материи и темных сил. темный галактический ореол?
Это исследование следует логическому пути предположения, что в темном секторе существует множество неизвестных физических явлений, может ли существовать вселенная - назовем ее «теневой вселенной», - которая существует параллельно нашей и обладает всем сложности, которые может предложить наша видимая вселенная?
Астрофизики в прошлом выдвинули гипотезу, что «темные звезды» - звезды, состоящие из темной материи - могли существовать в нашей изначальной Вселенной и могут существовать по сей день. Если это так, утверждает Рэндалл, возможно, образовались и «темные планеты». Затем она продвигает эту идею еще дальше: если существует семейство частиц темной материи, управляемое силами, доступными только в темном секторе, может ли это царство также иметь сложную химию? Если да, то может ли быть жизнь?
Если существует "теневая жизнь", доживающая свои дни параллельно с нашей вселенной, вы можете забыть о любых надеждах на ее обнаружение.
" Вы понятия не имеете, какой милой может быть жизнь в темной материи, и почти наверняка никогда не узнаете." Физик-теоретик Лиза Рэндалл пишет в Nautilus
Тень жизни останется в тени
Может возникнуть соблазн использовать эту гипотезу для объяснения повседневных тайн или даже заявлений о паранормальных явлениях, которые наука не может подтвердить. Что, если «призраки» или необъяснимые «светы в небе» - это темные существа, дающие о себе знать в нашем царстве?
Хотя это могло бы стать забавной научно-фантастической сюжетной линией, темные существа будут жить в теневой вселенной, которая совершенно несовместима с обычной материей. Их частицы и силы не оказали бы никакого влияния на нашу вселенную. Я мог бы печатать эту статью глубоко в тропических лесах темной материи, наполненных существами в бурлящей экосистеме темной материи, но я не имел бы ни малейшего понятия.
Но поскольку мы сосуществуем с этой теневой вселенной в одном и том же пространстве-времени - никаких дополнительных измерений или множественных вселенных не требуется - есть один сигнал, который можно передать.
Гравитационные волны были обнаружены только в 2016 году, и первое обнаружение этих волн в пространстве-времени было вызвано столкновением черных дыр. Кажется вероятным, что гравитационные волны будут обнаружены в темном секторе так же, как и в нашей Вселенной, но здесь можно будет обнаружить только самые мощные космические события в темном секторе.
Короче говоря, мы почти наверняка никогда не докажем существование милых существ из темной материи, но Рэндалл делает важное замечание. Представляя себе источник темной материи, было бы мудро отказаться от нашего предубеждения, что темная материя - это простая частица; он может представлять собой сложное семейство частиц темной материи и сил, которые мы не можем себе представить.