Как определили что существует темная материя
Темная материя — «инопланетяне» для астрофизиков?
При всем нашем понимании законов физики и успехах Стандартной модели и общей теории относительности, во Вселенной есть ряд наблюдаемых явлений, которые не получается объяснить. Вселенная полна загадок, начиная от звездообразования и заканчивая высокоэнергетическими космическими лучами. Хотя мы постепенно открываем для себя космос, мы до сих пор не знаем всего. Например, мы знаем, что темная материя существует, но не знаем, каковы ее свойства. Значит ли это, что мы должны приписывать проявлениям темной материи все неизвестные эффекты?
Вселенная полна загадок, начиная от звездообразования и заканчивая высокоэнергетическими космическими лучами
Загадок на тему темной материи столько же, сколько и доказательств ее существования. Но винить темную материю во всех загадочных проявлениях космоса не только близоруко, но и неправильно. Так бывает, когда у ученых иссякают хорошие идеи.
Две яркие большие галактики в центре скопления Кома, каждая больше миллиона световых лет в размерах. Галактики на окраинах указывают на существование большого ореола темной материи по всему скоплению
Что такое темная материя
Темная материя имеется во Вселенной повсюду. Впервые к ней обратились в 1930-х годах, чтобы объяснить быстрое движение отдельных галактик в галактических скоплениях. Произошло это потому, что всей обычной материи — вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов, — недостаточно, чтобы объяснить общее количество гравитации. Сюда входят звезды, планеты, газ, пыль, межзвездная и межгалактическая плазма, черные дыры и все остальное, что мы можем измерить. Линии доказательств, поддерживающих темную материю, многочисленны и убедительны, как отмечает физик Итан Зигель.
Темная материя необходима для объяснения:
И в небольших масштабах отдельных галактик, и в масштабах всей Вселенной темная материя необходима.
Где находится темная материя
Если поместить все это в контекст остальной космологии, мы считаем, что каждая галактика, включая нашу собственную, содержит массивное диффузное гало темной материи, окружающее ее. В отличие от звезд, газа и пыли в нашей галактике, которые находятся по большей части в диске, гало темной материи должно быть сферическим, поскольку в отличие от обычной (на основе атомов) материи, темная материя не «сплющивается», когда вы сжимаете ее. Также темная материя должна быть плотнее у галактического центра и простираться в десять раз дальше, чем звезды самой галактики. Наконец, должны быть небольшие комки темной материи в каждом гало.
Чтобы воспроизвести полный набор наблюдений, перечисленных выше, а также другие, темная материя не должна обладать никаким свойствами, кроме следующих: она должна иметь массу; она должна взаимодействовать гравитационно; она должна медленно двигаться относительности скорости света; она не должна сильно взаимодействовать посредством других сил. Всё. Любые другие взаимодействия сильно ограничиваются, но не исключаются.
Почему же всякий раз, когда производится астрофизическое наблюдение с избытком обычной частицы определенного типа — фотонов, позитронов, антипротонов — люди первым делом говорят о темной материи?
Как узнать темную материю
Эти астрофизические позитронные сигнатуры встречаются вблизи галактического центра, ориентированные на точечные источники, такие как микроквазары и пульсары, расположенные в загадочном регионе нашей галактике, известном как Великий Аннигилятор, и в части диффузного фона, происхождение которого неизвестно. Одно известно наверняка: мы видим больше позитронов, чем ожидаем увидеть. И об этом известно давно. PAMELA это измерила, «Ферми» это измерил, AMS на борту МКС это измерил. Совсем недавно обсерватория HAWC измерила чрезвычайно высокоэнергетические, ТэВ-уровня гамма-лучи и показала, что это сильно разогнанные частицы, поступающие от пульсаров среднего уровня. Но, к сожалению, этого недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый излишек позитронов.
По какой-то причине с каждым измерением излишка позитронов, с каждым наблюдением астрофизического источника, который его не объясняет, нарратив перетекает в «мы не можем его объяснить, поэтому виновата темная материя». И это плохо, потому что есть много возможных астрофизических источников, не требующих ничего экзотического, например:
Этот список не окончательный, но представляющий несколько примеров того, что могло бы создавать этот излишек.
Чем опасна темная материя
Многие работающие в этой области делают выбор в пользу темной материи, потому что будет прорывом, если темная материя уничтожает и производит гамма-лучи и частицы обычной материи. Это был бы сценарий мечты для астрофизиков-охотников за темной материей. Но принятие желаемого за действительное никогда не приводило к крупным открытиям. И хотя темная материя чаще всего представляется объяснением излишка позитронов, это не более вероятно, чем инопланетяне, объясняющие звезду Табби.
Обратившись за объяснениями к Бренде Дингус, главному исследователю HAWC, Итан Зигель получил следующий комментарий:
«Несомненно, есть и другие источники позитронов. Но позитроны не уходят далеко от своих источников, и поблизости не так-то много источников. Два лучших кандидата были обнаружены HAWC, и теперь мы знаем количество позитронов, которые они производят. Мы также знаем, как эти позитроны диффундируют от своих источников; медленнее, чем ожидалось. Хотя мы подтвердили источники позитронов поблизости, мы открыли, что позитроны очень медленно уходят от места своего происхождения, а значит не создают излишек позитронов на Земле. Исключая одну возможность, мы делаем другие возможности более вероятными. Впрочем, это не значит, что позитроны ДОЛЖНЫ исходить из темной материи. Мы не подразумеваем это».
Весьма замечательно, что позитроны в данных HAWC объясняют только 1% позитронов, наблюдаемых в других экспериментах, указывая на что-то еще в качестве виновника торжества. Когда производится наблюдение, расходящееся с нашими традиционными идеями, как с излишком астрофизических позитронов, не стоит исключать, что в деле может быть замешана темная материя. Но намного более вероятно, что другие астрофизические процессы объясняют эти эффекты. Когда в науке появляется загадка, все хотят революции, но чаще всего получают нечто заурядное.
Существует ли темная материя и зачем она нам нужна
Темная материя — самая загадочная тема современной астрофизики. Астрофизик, журналист и автор блога «Популярная наука» в «Яндекс. Дзен» Александр Дементьев объясняет, что это такое и зачем ее изучать.
По оценкам международной группы ученых, 80% вещества Вселенной приходится на темную материю. То есть Вселенная состоит неизвестно из чего. И открытие этого феномена сулит человечеству гигантские перспективы. Возможно, даже большие, чем изобретение электричества.
Впервые термин «темная материя» использовал голландский астроном Якобус Каптейн 99 лет назад. С тех пор вопрос о том, что представляет собой это загадочное вещество, остается открытым.
Что такое темная материя
Темная материя — вид скрытого вещества. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии, как «обычная» известная нам материя. Поэтому мы не можем ее обнаружить.
Как же мы тогда узнали, что темная материя существует?
Темная материя проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу ее звезд.
Если говорить максимально просто: мы видим, что масса во Вселенной, в частности у галактик, в разы больше, чем должна быть. Если сложить массу всего вещества, которое мы можем обнаружить (звезды, скопления, туманности, черные дыры и т.п.), этого не хватает, чтобы объяснить, откуда такая гравитация. Для этого масса должна быть выше. Эту «лишнюю» массу и записали на счет темной материи.
Без темной материи в космосе недостаточно массы для образования звезды. Без нее вещество «разбредалось» бы по космосу. Темная материя обеспечивает необходимую массу, которая запускает процесс образования звезд.
Примерное распределение вещества для среднестатистической эллиптической галактики выглядит так:
Каковы доказательства, что темная материя существует
Гипотеза о существовании темной материи родилась в теоретической физике. В экспериментальной физике обнаружить ее в каком-либо виде пока не удалось. Но есть убедительные экспериментальные доказательства того, что «лишняя» масса существует.
Звезды и галактики движутся с совсем другими скоростями, чем должны при условии, что темной материи не существует.
Горячего газа в галактиках слишком много. Если бы лишней массы не было, галактика не смогла бы его удержать.
Гравитационные линзы. Свет, идущий от удаленных объектов, искажен гораздо больше, чем должен.
Почему открытие темной материи важно для человечества
Темная материя давно перестала быть локальной проблемой отдельной науки. Узнав ее природу, мы гораздо лучше поймем, как устроен наш мир и, возможно, получим доступ к новым видам дешевой энергии и инновационным материалам.
В 1888 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн (обратите внимание, какая красивая цифра — 1888!). За этим последовал шквал открытий. Ученые узнали, как устроен атом, открыли, что существуют галактики, начали использовать новые виды энергии, ранее недоступные человечеству. И наша жизнь кардинально изменилась!
Сейчас 21-й год XXI века (не менее красивая цифра). И новым сравнимым по масштабу открытием может быть природа темной материи.
Даже если выяснится, что ее нет и это нелепая гипотеза, это приведет к перевороту в современной физике. Такое уже было в нашей истории. Ведь открытие электромагнитных волн отправило в небытие понятие «эфира», в котором якобы движутся все космические объекты. Никакого эфира нет, но это было важно доказать для дальнейшего прогресса в физике.
Что же представляет собой темная материя. 4 гипотезы
Предположений о том, что же такое темная материя, в современной физике огромное количество. Но глобально их все можно свести к четырем типам:
1. «Обычное» вещество. Темная материя может представлять собой совокупность черных дыр, нейтронных звезд, планет-изгоев и т.п. То есть различные объекты, которые трудно обнаружить.
Эта гипотеза считалась весьма вероятной на заре исследования темной материи. Сейчас же к ней относятся скептически, ведь черные дыры можно отлавливать по их взаимодействию с окружающей материей.
По оценкам астрофизиков, на все эти объекты может приходиться максимум 10% вещества галактик. Но никак не 80%.
2. Темная материя состоит из частиц, которые мы еще не открыли. Вероятнее всего, эти частицы должны быть довольно крупными, так как проявляют себя в гравитационном взаимодействии. И эти частицы не заряжены, иначе они проявляли бы себя в электромагнитном взаимодействии.
Частицы темной материи, скорее всего, и сейчас прошивают Землю, пролетая сквозь нее с огромными скоростями. Но никак не взаимодействуют с ней. С одной стороны, их трудно поймать, с другой — от них трудно экранироваться. И это плюс — значит, частицы темной материи есть везде. Осталось только обнаружить их.
Сейчас по всему миру пытаются эти частицы отловить. Напрямую это сделать очень сложно (они же, как мы помним, «не любят» взаимодействовать с приборами).
Возможно, поможет косвенный метод — когда мы зафиксируем взаимодействие этих неведомых частиц с другими и увидим их косвенные проявления, например в виде фотонов.
3. Что-то не так с гравитацией. Точнее, с гравитацией как силой природы всё прекрасно. Что-то не так с нашей теорией гравитации.
«Зачем плодить новые странные сущности и частицы? Давайте пересмотрим теорию гравитации», — говорят адепты этой гипотезы.
Альтернативные теории гравитации (например, модифицированная ньютоновская динамика (MOND) способны объяснить отдельные явления. Но пока не удалось создать теорию гравитации, которая объяснит все явления в совокупности и непротиворечиво.
4. Темной материи не существует. Это как раньше с эфиром. Все думали, что он есть (иначе как световые волны могут путешествовать по пустому пространству?). Но оказалось, что свет — не только частицы, но и волна, и эфир для перемещения ему не нужен. Так и тут. Возможно, у уже известных законов физики есть обратная сторона, которую мы не знаем. Но, скорее всего, он завязан на предыдущих сценариях.
Что даст человечеству открытие темной материи
Мы знаем 118 природных элементов таблицы Менделеева. И это лишь 20% вещества. Представляете, какие тайны могут быть сокрыты в остальных 80%?
Новые материалы и технологии. Древние греки знали об электричестве, но оно было для них чем-то вроде фокуса. Ведь забавно, как к расческе после причесывания притягиваются кусочки бумаги!
Когда журналист спросил Максвелла, зачем нужны его уравнения поля, ученый развел руками: он просто описал взаимодействие, существующее в природе. А теперь жизнь невозможно представить без электричества.
Но только когда мы постигли природу электричества, человечество пошло вперед семимильными шагами. Греки и понятия не имели, что подобные технологии возможны!
Когда в 1960 году Теодор Мейман представил свой первый лазер, он даже близко не представлял, как и зачем его можно использовать. А теперь он активно применяется в медицине, химии и навигации.
Понимание темной материи может теоретически дать нам доступ к энергии, которая будет намного эффективнее электричества.
Освоение космоса. Будущее человечества неизбежно связано с космической экспансией.
На Земле не так безопасно, как кажется. Человечество развилось в период относительного спокойствия. Однако за всю биологическую историю планеты было пять случаев крупного массового вымирания видов и еще 20 — менее масштабных. И только освоение других планет (говоря экономическим термином, диверсификация жизни) позволит увеличить шансы на выживание.
А как осваивать космос, путешествовать в межзвездном пространстве, если мы не знаем, из чего состоит 80% его вещества?
Мировоззрение. Кроме практической пользы будет польза философская. Мы серьезно уточним ответ на вопрос, как устроена наша Вселенная. И почему она расширяется с ускорением.
В XIX–XX веках был расцвет философии. Создавались мировоззренческие концепции, которые помогали человечеству определиться с целями и установить моральные границы. Сейчас же философия пребывает в стагнации. Искать смысл жизни в накоплении и потреблении — слишком примитивная задача. Религиозные и идеалистические мировоззрения — в очевидном кризисе.
Человечество не может развиваться без смысла. Это наша важная особенность как вида. По мнению Юваля Ноя Харари, автора книги «Sapiens. Краткая история человечества», единственное отличие человека от других животных в том, что мы можем объединиться одной идеей и вместе работать над ее воплощением.
Нужны новые крупные научные открытия, чтобы человечество смогло найти новые мировоззренческие смыслы. Иначе как нам двигаться дальше?
Новая физика темной материи: зачем ее искать и как она будет работать?
Темная материя не излучает и не поглощает свет, практически не взаимодействует с «обычной» материей, ученым пока не удалось поймать ни одной «темной» частицы. Но без нее не могла бы существовать знакомая нам Вселенная, да и мы сами. Чем поможет и что объяснит изучение темной материи?
Читайте «Хайтек» в
Что такое темная материя?
Это такая гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступна прямому наблюдению. Она составляет четверть массы энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.
Звезды производят 100% света, который мы видим во Вселенной, но всего 2% ее массы. Когда мы смотрим на движения галактик, скоплений и прочего, то находим, что количество гравитационной массы перевешивает звездную массу в 50 раз. Можно было бы подумать, что другие типы обычной материи могли бы объяснить эту разницу.
Но даже если суммировать все эти компоненты вместе, мы получим всего 15–17% общего количества вещества, которое необходимо для объяснения гравитации. Для остального движения, что мы видим, нам нужна форма материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной известной частице Стандартной модели. Нам нужна в некотором роде темная материя.
Состав и природа темной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной темной материи. Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц темной материи — вимпы. Несмотря на активные поиски, экспериментально они пока не обнаружены.
Зачем нам нужна темная материя?
Темная материя нам нужна не только для объяснения астрофизических явлений вроде галактического вращения, движения скоплений и их столкновений, но и для объяснения самого происхождения жизни.
Чтобы объяснить почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась с горячего и плотного состояния — Большого взрыва, когда все было в виде практически однородного моря отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц. По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легчайшие ядра (водород, гелий, дейтерий и немного лития), но ничего больше. Только спустя десятки или сотни миллионов лет назад эта материя коллапсировала в достаточно плотные регионы, чтобы образовать звезды и галактики.
Насколько сегодня ученые уверены, что темная материя действительно существует?
Главное свидетельство — это наблюдения флуктуаций реликтового излучения, то есть результаты, которые за последние 15 лет получили космические аппараты WMAP и «Планк».
Они с высокой точностью измеряли возмущение температуры космического микроволнового фона, то есть реликтового излучения. Эти возмущения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизованный водород превратился в нейтральные атомы.
Эти измерения показали присутствие флуктуаций, очень небольших, примерно в одну десятитысячную Кельвина. Но когда они стали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили важные отличия, которые нельзя объяснить никак иначе, кроме как присутствием темной материи. Благодаря этому они с точностью до процентов смогли посчитать доли темной и обычной материи во Вселенной.
Состав темной материи
По какой причине это происходит и каков состав темной материи, нам до сих пор точно не известно, однако существует три версии того, что это такое.
Что дальше?
Исследования и работы на тему изучения темной материи продолжаются, так как до сих пор у нас нет однозначного ответа на вопрос, существует ли эта субстанция.
Накануне стало известно о новой работе астрофизиков: они обнаружили в реликтовом излучении Вселенной намеки на нарушение пространственной четности. Иными словами, они стали на шаг ближе к открытию «новой физики».
Свет – это распространяющаяся электромагнитная волна. Когда он состоит из волн, колеблющихся в определенном направлении, физики называют его «поляризованным». Свет космического микроволнового фона рассеялся через 400 тыс. лет после Большого взрыва, поскольку путешествовал по Вселенной в течение 13,8 млрд лет.
Если темная материя или темная энергия взаимодействуют со светом космического микроволнового фона таким образом, что нарушает симметрию четности, мы можем найти его след в данных поляризации.
Юто Минами, один из авторов исследования
По его словам, благодаря новой методике ученые смогут максимально точно оценить, насколько сильно пыль Млечного Пути влияет на измерение поляризации реликтового излучения.
Расстояние, которое проходит свет от пыли в пределах Млечного Пути, намного короче, чем расстояние космического микроволнового фона. Это означает, что на излучение пыли не влияют ни темная материя, ни темная энергия. Исследователи выяснили, что с вероятностью 99,2% темная материя и темная энергия действительно нарушают принцип четности.
Спросите Итана: если тёмная материя повсюду, почему мы не нашли её в Солнечной системе?
Гало комкующейся тёмной материи с различными плотностями и огромной, рассеянной структурой, которую предсказывают симуляции. Для масштаба показана светлая часть галактики. Поскольку тёмная материя есть везде, она должна быть и в нашей Солнечной системе. Так почему же мы её до сих пор не увидели?
Согласно огромному объёму свидетельств, большая часть Вселенной состоит из некоей массы загадочного типа, которую мы ни разу не измерили напрямую. Протоны, нейтроны и электроны – и вообще вся материя, состоящая из частиц, входящих в Стандартную Модель – из которой состоят планеты, звёзды и галактики, обнаруживаемые нами по всей Вселенной, составляет лишь 15% её общей массы. Остальное состоит из чего-то совершенно другого: холодной тёмной материи. Но если тёмная материя есть повсюду и в огромных количествах, почему мы не увидели в Солнечной системе? Именно такой вопрос задаёт наш читатель:
Все свидетельства наличия тёмной материи и тёмной энергии относятся к далёкому космосу. Довольно подозрительно, что мы не видим никаких свидетельств их существования здесь, в нашей Солнечной системе. Никто никогда не сообщал ни о каких аномалиях в орбитах планет. Однако их очень точно измерили. Если Вселенная на 95% тёмная, такие эффекты можно было бы измерить локально.
Так ли это? Это была одна из первых мыслей, пришедших мне в голову, когда я впервые узнал о тёмной материи (ТМ) 17 лет назад. Давайте разбираться и выяснять истину.
Космическая паутина тёмной материи и формируемая ею крупномасштабная структура. Нормальная материя присутствует, но составляет лишь 1/6 от общего количества материи. Оставшиеся 5/6 – тёмная материя, и никакому количеству обычной материи с этим не справиться
Основная идея ТМ состоит в том, что в какой-то момент в очень юной Вселенной, до появления галактик, звёзд или даже нейтральных атомов, существовало почти идеальное и гладкое море ТМ, распределённой по всему пространству. Со временем гравитация и другие силы прошли через несколько взаимосвязанных этапов:
Флуктуации РИ настолько малы и имеют настолько характерный вид, что они убедительно свидетельствуют о том, что Вселенная в самом начале имела повсюду одинаковую температуру, а также содержала тёмную материю, обычную материю и тёмную энергию в определённых пропорциях.
РИ – это остаточное свечение Большого взрыва: излучение, попавшее в наши глаза, пройдя путь с того момента, когда во Вселенной впервые сформировались стабильные нейтральные атомы. Сегодня мы наблюдаем фотографию Вселенной при переходе от ионизированной плазмы до электрически нейтрального набора атомов, когда давление излучения становится пренебрежимо малым. Холодные участки соответствуют регионам повышенной плотности, поскольку излучению приходится тратить дополнительную энергию (больше среднего) на то, чтобы выбраться из этих гравитационных колодцев; горячие участки – соответственно, регионы с пониженной плотностью.
Участки повышенной, средней и пониженной плотности, существовавшие, когда Вселенной было всего 380 000 лет, теперь соответствуют холодным, средним и горячим участкам РИ
Рисунок холодных и горячих участков на всех масштабах, которые мы можем наблюдать, и корреляция между ними, сообщают нам о составе Вселенной: 68% тёмной энергии, 27% ТМ, 5% нормальной материи. Со временем эти участки повышенной плотности вырастали в звёзды, звёздные скопления, галактики и галактические скопления, а участки пониженной плотности отдавали свою материю окружавшим их участкам повышенной плотности. И хотя мы можем видеть лишь нормальную материю, благодаря тому, что она испускает и взаимодействует со светом и другими видами излучения, ТМ – доминирующая сила, отвечающая за гравитационный рост структур Вселенной.
Тщательное изучение Вселенной демонстрирует, что она состоит из материи, а не из антиматерии, что ТМ и тёмная энергия необходимы, и что нам неизвестны источники всех этих загадок. Однако флуктуации РИ, формирование и корреляции между крупномасштабными структурами, и современные наблюдения гравитационного линзирования указывают на одну и ту же картину.
Поскольку нормальная материя взаимодействует и с самой собой, гравитационный коллапс для нормальной и тёмной материй происходит по-разному. Комок нормальной материи, собравшись под воздействием гравитации, начинает сжиматься. Сжатие сначала идёт по самому короткому измерению, но нормальная материя взаимодействует и сталкивается с другими частицами нормальной материи – точно так же, как ваши руки, хотя они и состоят из атомов, представляющих собой почти пустое пространство, будут хлопать, когда вы попытаетесь провести одну руку через другую. Это взаимодействие приводит к появлению вращающегося диска материи – именно из него и проистекает всё, от дисковых (спиральных) галактик до солнечных систем, планеты в которых движутся по орбитам, лежащим в одной плоскости. Тёмная материя, с другой стороны, не сталкивается ни с самой собой, ни с нормальной материей, из-за чего остаётся в виде крупных и чрезвычайно разреженных гало. И хотя тёмной материи больше, чем обычной, её плотность, допустим, в нашей галактике, гораздо меньше в тех местах, где есть звёзды.
Во время обращения Земли вокруг Солнца меняется наше движение сквозь ТМ в нашей галактике, поэтому её гало должно демонстрировать различные свойства взаимодействия
И теперь мы подходим к основному вопросу. Каким образом ТМ воздействует на Солнечную систему? Большая часть того, что вы, вероятно, представляете себе, так или иначе будет верным: частицы ТМ должны летать в пространстве повсеместно, включая и всё пространство Млечного Пути. А это значит, что ТМ должна быть в Солнечной системе, в Солнце, должна проходить сквозь нашу планету и наши тела. Большой вопрос следующий: по сравнению с массами Солнца, планет, других объектов Солнечной системы, какова будет интересующая нас масса ТМ?
В Солнечной системе в первом приближении орбиты планет определяет Солнце. Во втором приближении большую роль играют и все другие массы (планеты, луны, астероиды, и т.п.). Но чтобы добавить сюда ещё и ТМ, нужно очень сильно повысить точность.
Для ответа нам необходимо сначала понять, что определяет орбиты объектов внутри нашей Солнечной системы. С большим отрывом доминирующей массой в Солнечной системе будет Солнце. С очень точным приближением оно определяет орбиты планет. Но для Венеры планета Меркурий будет внутренней, и в первом приближении орбиту Венеры определяют общая масса Солнца и Меркурия. Орбиту Юпитера определяют сумма массы Солнца и всех внутренних планет, а также пояса астероидов. Для любого объекта в целом его орбита определяется общей массой, заключённой в воображаемой сфере с центром в Солнце и этим объектом на краю сферы.
В Общей теории относительности, в случае равномерного распределения ТМ (или любой массы) в пространстве, на движение объекта влияет только масса, заключённая внутри его орбиты; однородная масса снаружи орбиты ни на что не влияет [теорема Биркгофа / прим. перев.]
Если существует море ТМ, пронизывающее всё то пространство, где находимся мы с вами – всю Солнечную систему – то внешние планеты должны взаимодействовать с чуть большей её массой, чем внутренние. И если тут есть достаточно много ТМ, то должен быть способ её обнаружить. Поскольку мы знаем массу Млечного Пути, относительную плотность нормальной и тёмной материи, и у нас есть симуляции, показывающие, как должна вести себя плотность ТМ, мы можем выдать очень неплохие оценки. И после проведения таких расчётов оказывается, что на орбиту Земли должно влиять порядка 10 13 кг ТМ, а на орбиту такой планеты, как Нептун – 10 17 кг.
Наша Галактика находится внутри огромного и рассеянного гало ТМ, поэтому ТМ должна течь и внутри Солнечной системы. Но плотность её крайне мала, поэтому её очень сложно обнаружить местно
Иначе говоря, ТМ должна быть в Солнечной системе, и влиять на движение внешних планет не так, как на движение внутренних, из-за количества массы, находящегося в сфере с центром в Солнце и радиусом в расстояние до планеты. Вас может заинтересовать вопрос, может ли взаимодействие многих тел, а именно, ТМ, планет и Солнца, привести к захвату дополнительного количества ТМ. Это интересная проблема, и я писал работу на эту тему порядка 10 лет назад. Мы с коллегами обнаружили, что плотность ТМ может повыситься очень сильно, но только если не учитывать, что захваченная масса, что весьма вероятно, будет выкинута обратно. Но даже с таким увеличением, максимальная масса ТМ, после 4,5 млрд лет (на графике – пурпурный) всё равно находится гораздо ниже всех наблюдаемых ограничений.
Количество галактической ТМ, находящейся внутри орбит планет разного радиуса нашей Солнечной системы (синий), и общее количество ТМ, которое должно было быть захвачено за всё время жизни Солнечной системы, без учёта выбросов её обратно, а также наилучшее ограничение, взятое из работы 2013 года, по максимальному количеству ТМ, которое в принципе может находиться у нас. Мы пока не добрались до возможностей проверить её наличие.
В нашей Солнечной системе действительно есть ТМ, и она должна оказывать реальное влияние на все остальные частицы материи вокруг неё. Если существует перекрёстное взаимодействие между частицами нормальной и тёмной материи, тогда в экспериментах по прямому обнаружению должна быть возможность обнаружить её прямо на Земле. А если нет, то гравитационные эффекты ТМ, проходящей сквозь Солнечную систему, как захваченной, так и свободной гравитационно, должны влиять на орбиты планет. Но до тех пор, пока наши измерения не станут достаточно точными, этого гравитационного эффекта не будет достаточно ни для каких прямых обнаружений. Пока что нам приходится смотреть на Вселенную за пределами Солнечной системы, чтобы наблюдать воздействие ТМ на пространство-время.