Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя - Владимир Анатольевич Моисеев
Существует несколько гипотез того, чем может быть темная материя. Согласно одной из самых популярных теорий — массивные, но слабо взаимодействующими с веществом частицы, WIMP. Их поисками занимается огромное число экспериментов по всему миру: серия экспериментов XENON, LUX, CoGeNT, CRESST и другие. Хотя об обнаружении эффектов, связанных с WIMP сообщал эксперимент DAMA, данные с более современных детекторов позволяют предположить, что это, скорее всего, случайные флуктуации. Поэтому больший интерес возникает к альтернативным объяснениям природы темной материи.
Ряд работ рассматривают темную материю как топологические дефекты в пространстве-времени — сгустки в виде «стен». Такие сгустки должны локально изменять течение времени своим гравитационным полем, в согласии с общей теорией относительности.
Авторы работы предложили исследовать эти изменения с помощью системы спутников GPS, каждый из которых оборудован высокоточными атомными часами. Уже в их движении по орбите Земли наблюдаются проявления теории относительности — часы словно бы торопятся на 46 микросекунд в день из-за гравитации планеты (относительно наземных) и одновременно отстают на 7,2 микросекунды в день, что учитывается в работе системы. В случае, если Земля проходит сквозь одну из таких «стен» темной материи, должна появиться дополнительная поправка, которая немного собьет часы.
Земля двигается относительно центра Галактики со скоростью порядка 220 километров в секунду. По оценкам авторов, наша планета должна налетать на сгустки темной материи с характерной скоростью около 300 километров в секунду. Это означает, что сбой часов в GPS должен распространяться в течение почти трех минут на всех спутниках по очереди. Зафиксировать такое событие можно анализируя корреляции в сбоях атомных часов. Точность последних достигает одной миллиардной доли секунды (в десятки тысяч раз меньше поправок на ОТО).
Подробное описание принципа анализа данных ученые опубликовали в 2014 году в журнале Nature Physics. Физики изучили данные, собранные за 16 лет работы системы спутников в поисках корреляций, временные периоды которых простирались от полутора минут до четырех часов. Однако обнаружить следов темной материи не удалось.
Размер детектора, который использовали физики превышает диаметр Земли в четыре раза, но это не самая большая база, использованная для астрономических наблюдений. Космический радиотелескоп «Спектр-Р», способен проводить наблюдения одновременно с земными радиотелескопами, формируя общий детектор с апертурой в 350 тысяч километров.
nplus1.ru, 6 мая 2017, Владимир Королев
https://nplus1.ru/news/2017/05/06/gps-dark-matter
Сервер препринтов arxiv.org, 2017
https://arxiv.org/abs/1704.06844
Глава 11-12-4
«Хаббл» поставил под сомнение теорию холодной темной материи
Октябрь 2017
Данные сильного гравитационного линзирования скоплений галактик, собранные телескопом «Хаббл», позволили найти распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и самой яркой галактикой скопления (BCG). Оказалось, что это распределение не согласуется с принятой сейчас теорией холодной темной материи. Статья принята к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Теория холодной темной материи (Cold Dark Matter, CDM) является основной в современной космологии и астрофизике. Согласно этой теории, темная материя состоит из частиц, движущихся со скоростями много меньше скорости света и очень слабо взаимодействующих с обычной барионной материей, и играет ключевую роль в формировании галактик и скоплений галактик.
Несмотря на то, что модель CDM хорошо объясняет крупномасштабную структуру вселенной, на более мелких масштабах существуют некоторые расхождения между экспериментальными данными и теорией. Например, наблюдения за местной группой выявили, что распределение плотности некоторых карликовых галактик не согласуется с предсказаниями CDM. В данной работе сообщают о еще одном таком несоответствии.
Заключается это расхождение в следующем. Естественно предположить, что в скоплении галактик самая яркая и массивная из них (brightest cluster galaxy, BCG) находится в центре (точнее, центре масс). В результате некоторых событий (например, поглощения скоплением еще одной галактики) BCG может сместиться и начать колебаться с некоторой амплитудой около положения равновесия. По стандартной теории CDM эти колебания должны быстро затухать. В действительности это оказывается не всегда так.
Физики смоделировали их и выяснили, на каком отдалении находятся центры масс обычной и темной материи в реальных скоплениях галактик. Для этого они использовали эффект сильного гравитационного линзирования. С помощью численного моделирования они проверили пять сценариев, в которых амплитуда колебаний BCG составляла от нуля до двадцати килопарсек, и посмотрели, как в них искажается свет. Затем ученые сравнили результаты расчетов с данными десяти подтвержденных примеров сильного линзирования, собранными телескопом «Хаббл», и построили реальное распределение вероятности для расстояния между центром масс скопления и BCG. Оказалось, что определенная таким образом амплитуда колебаний составляет около 12 килопарсек, что намного больше результата, полученного с помощью расчетов в предположении стандартной теории CDM.
Авторы статьи надеются, что в дальнейшем более точные наблюдения за скоплениями галактик позволят лучше изучить колебания BCG и, возможно, понять, как себя в действительности ведет темная материя. Возможно, они подтвердят теорию теплой темной материи или взаимодействующей самой с собой темной материи.
nplus1.ru, 26 октября 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/10/26/CDM-fail
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017
https://arxiv.org/abs/1703.07365
Глава 11-12-5
Физик объяснил неудачи при регистрации темной материи отталкиванием
Ноябрь 2017
Частицы темной материи не удается обнаружить напрямую из-за того, что они отталкиваются от частиц обычной материи, считает физик. По его расчетам, опубликованным в Physical Review D, если радиус действия этой отталкивающей силы сопоставим с радиусом Земли или превышает его, частиц темной материи около планеты просто нет, и физикам нечего детектировать.
Обнаружить гравитационное действие темной материи несложно, например, наблюдая за движением галактик или искажением света, проходящего мимо галактических скоплений. Однако в прямых экспериментах, предполагающих, что электроны или атомные ядра должны рассеиваться на частицах темной материи (пусть и очень слабо), она до сих пор себя не проявила. Полученные экспериментально ограничения на сечения подобных процессов огромны — например, эксперименты на LHC устанавливают верхнюю границу для сечения 10−46 ÷ 10−42 квадратных сантиметров.
Хуман Давудиазл объяснил отсутствие прямых наблюдений темной материи тем, что рядом с Землей ее попросту нет. Ученый предположил, что взаимодействие между частицами темной и обычной материи осуществляется посредством бозона с очень маленькой массой (порядка
