Джеймі Фарнс, астрофізик з Великої Британії, представив космологічну модель, в якій від’ємна маса генерується з постійною швидкістю протягом всього часу еволюції Всесвіту.
Ця модель викликає суперечності з загальноприйнятими поглядами на природу матерії. Однак вона ефективно пояснює багато ефектів, які зазвичай приписують темній матерії та темній енергії. Це включає розширення Всесвіту, формування великомасштабної структури Всесвіту та галактичного гало, криві обертання галактик та спостережуваний спектр реліктового випромінювання. Ці висновки були опубліковані в журналі “Astronomy & Astrophysics”.
На сьогоднішній день більшість космологів вважає, що модель ΛCDM найкраще описує еволюцію Всесвіту. Згідно з цією моделлю, приблизно 70% маси Всесвіту припадає на темну енергію, 25% - на холодну темну матерію (тобто матерію, частинки якої рухаються повільно), і лише залишкові 5% - на звичайну баріонну матерію, з якою ми звикли мати справу.
Ці пропорції були визначені на основі аналізу гармонік у картині реліктового випромінювання. На жаль, ми все ще погано розуміємо, що таке темна матерія та темна енергія.
Ні один з точних експериментів з пошуку частинок темної матерії, передбачених цілою низкою теоретичних моделей (наприклад, SUSY), не дав позитивного результату.
Наразі переріз розсіювання звичайних частинок і “темних” частинок з масою від 6 до 200 мегаелектронвольт обмежений величиною порядку
квадратних сантиметрів, що практично виключає частинки в цьому діапазоні мас і змушує фізиків розробляти альтернативні теорії.
Однак, темна матерія все ж проявляє себе через гравітаційну взаємодію, модифікуючи криві обертання галактик і картину гравітаційного лінзування, тому вчені не хочуть відмовлятися від цієї гіпотези.
З темною енергією ситуація ще гірша. Єдине спостереження, яке безпосередньо підтверджує її існування незалежно від аналізу реліктового випромінювання - це прискорене розширення Всесвіту, виміряне за стандартними свічками (побічно темну енергію підтверджує співвідношення хімічних елементів у спостережуваному Всесвіті).
Ми погано розуміємо, що являє собою темна енергія на фундаментальному рівні. Звичайно, якісно її можна описати за допомогою космологічної постійної (лямбда-члена) в рівнянні Ейнштейна, але цей спосіб не дає нових знань і не дає змоги встановити, з чого складається темна енергія.
Ейнштейн пояснював такі добавки за допомогою частинок з від’ємною масою - у цьому підході рівняння руху стають симетричними, як рівняння електродинаміки, а лямбда-член виникає як постійна інтегрування, що не містить фізичного сенсу.
Матерія з від’ємною масою - це матерія, що прискорюється в напрямку, протилежному дії сили. Частинка з від’ємною масою відштовхує частинки з позитивною та від’ємною масою, тоді як “позитивні” частинки притягують “негативні”.
На жаль, у рамках моделі ΛCDM такий спосіб опису темної енергії свідомо приречений на провал. Річ у тім, що під час розширення Всесвіту густина різних компонент змінюється за різними законами: густина холодної матерії падає, а густина темної енергії залишається постійною. Тому ототожнити матерію з негативною масою і темну енергію не можна.
Але британський астрофізик впевнений, що він зробив значний внесок в наше розуміння Всесвіту, успішно поєднуючи ідею Ейнштейна з даними спостережень. Він зробив це, об’єднавши ідею від’ємної маси з іншою контрінтуїтивною ідеєю про безперервне й однорідне виробництво маси в обсязі Всесвіту.
Сама ідея не нова і була вперше запропонована в 40-х роках минулого століття. Теоретично, такі процеси можуть відбуватися на тлі сильного гравітаційного поля, наприклад, за рахунок ефекту Гокінга.
За його словами, він вивчав подібні добавки до стандартного тензора енергії-імпульсу для позитивних мас.
"Я виписав і розв’язав рівняння Фрідмана, а потім розрахував, за яким законом розширюється Всесвіт у цій моделі".
В той же час не враховуваний внески звичної темної матерії і темної енергії. У результаті виявилося, що відомі закони відтворюються, якщо від’ємна маса буде вироблятися з постійною швидкістю Г = -3H, де H - це постійна Габбла. У цьому разі густина від’ємної маси залишатиметься постійною під час розширення, і вона ефективно моделюватиме космологічну сталу.
Швидкість розширення і час життя Всесвіту виходять такими ж, як у моделі ΛCDM. Потім я розрахував, як від’ємна маса проявлятиметься на дрібніших масштабах. Для цього була змодельована взаємодія великої кількості частинок позитивної і негативної маси.
Оскільки всі наявні астрофізичні пакети не враховують такі незвичайні модифікації, я був змушений розробляти свою власну програму. Щоб уникнути будь-яких наближень під час розрахунків, я обчислював координати і швидкості кожної частинки в кожен момент часу - це давало змогу підвищити надійність прогнозів, хоча вимогливість програми до обчислювальних ресурсів зростала як квадрат числа частинок.
Зокрема, через це науковець змушений обмежитися моделюванням 50 тисяч частинок. Використовуючи розроблену програму, я побачив кілька ефектів, які традиційно приписують існування темної матерії.
В результаті продемонстрована модель еволюції щільної групи частинок із позитивною масою, занурених у “море” з частинок негативної маси.
Така система має якісно описувати еволюцію галактик на пізніх стадіях розширення Всесвіту, коли “негативні” частинки значно переважають над “позитивними”.
У цьому завданні я вибрав число “позитивних” частинок N+ = 5000, число негативних N- = 45000. Таким чином я отримав розподіл густини, який добре збігається з даними спостережень - густина частинок повільно зростає під час наближення до центру галактики і збігається з профілем Буркерта. Що вирішує проблему “гострого гало” (cuspy halo problem), яка виникає в моделі ΛCDM.
Тож, отримані результати добре збігаються з даними спостережень. Цікаво, що в моделі, де переважають “позитивні” частинки, матерія на краю галактики рухається повільніше, ніж у центрі. Однак, в моделі, де “негативні” частинки мають перевагу, швидкість обертання виявляється приблизно постійною. Це дослідження відкриває нові перспективи для розуміння структури галактик.
За допомогою його моделі можна спостерігати ниткоподібну великомасштабну структуру Всесвіту. Це означає, що галактики об’єднуються в скупчення, скупчення формують надскупчення, а надскупчення об’єднуються в ланцюжки і стіни.
Фарнс розрахував еволюцію системи, яка містить однакову кількість “позитивних” і “негативних” частинок. Враховуючи обмеження на доступну обчислювальну потужність, він встановив число обох видів частинок N+ = N- = 25000.
Цікаво, що “негативні” частинки, як і раніше, оточували частинки звичайної матерії і формували гало. Але цього разу Фарнсу вдалося виявити закономірності на більших масштабах, які нагадували структуру спостережуваного Всесвіту. Це дуже захоплює і відкриває нові горизонти для подальших досліджень.
Частинки з позитивною та від’ємною масою можуть об’єднуватися в диполі та прискорюватися до швидкості світла, оскільки утворена частка не має маси. Ця ідея вже була розглянута раніше, і багато фізиків вважали її серйозним аргументом проти теорій з від’ємною масою, оскільки ЗТВ забороняє масивним частинкам, які утворюють диполь, розганятися до швидкості світла.
Такий процес не порушує жодних фундаментальних законів. Він повинен призводити до утворення космічних частинок з дуже високими енергіями, які частково реєструються на практиці. На жаль, цей ефект не простежується в симуляціях із 50000 частинок.
В масштабніших симуляціях із мільйоном частинок такі процеси вдасться помітити. Я також допускаю, що вони дадуть змогу підтвердити або спростувати нову теорію.
Наскільки запропонована модифікація моделі ΛCDM спотворить ефекти, які реально спостерігають? Адже мова йде про розширення Всесвіту, виміряне за стандартними свічками та спостереження за злиттями скупчень галактик. У всіх цих випадках гіпотеза не суперечить спостережуваним даним.
Втім, доволі багато запитань усе ще залишаються відкритими - зокрема, не зрозуміло, як пов’язати таку гіпотезу зі Стандартною моделлю (чи може механізм Гіґґса генерувати від’ємні маси?), як експериментально зареєструвати частки з від’ємною масою та як пояснити суперечності між відштовхуванням “від’ємних” частинок і теорією гравітонів.
Скоріш за все, модель із постійним виробництвом від’ємної маси пояснює не тільки спостережуване розширення Всесвіту, а й утворення його великомасштабної структури, гало темної матерії навколо галактик і криві обертання - більшість ефектів, які заведено списувати на темну енергію і темну матерію.
Як не дивно, така інтуїтивно неприродна гіпотеза, яка суперечить загальноприйнятому погляду на матерію, цілком узгоджується з даними спостережень. Ба більше, вона пропонує пояснити їх у простіший спосіб, залучаючи менше сутностей.
За словами науковця, “хоча ця пропозиція є відступницькою та єретичною, було припущено, що негативні значення цих параметрів у принципі можуть пояснити дані космологічних спостережень, які завжди інтерпретувалися в рамках розумного припущення про позитивність маси”.
“Іноді ми, фізики, висловлюємо доволі незвичні ідеї, щоб пояснити спостережувані протиріччя між теорією та експериментом”.
Наприклад, у листопаді минулого року американський фізик-теоретик Хуман Давудіазл (Hooman Davoudiasl) запропонував запровадити нову силу, що переноситься надлегкою скалярною частинкою і відштовхує темну матерію від Землі.
Це припущення добре пояснює невдачі всіх земних експериментів із пошуку темної матерії - якщо така сила справді існує, детектори в принципі не могли нічого зареєструвати. На жаль, перевірити це твердження за поточного рівня розвитку техніки неможливо.
Але чому детектори не можуть зареєструвати силу, яка переноситься надлегкою частинкою?
Справа в тому, що етектори вимірюють частинки, використовуючи їхні фізичні властивості - заряд, масу та швидкість. Частинки, які переносять силу, відомі як носії сили або віртуальні частинки. Вони існують виключно у віртуальному стані, а тому зникають практично миттєво, що робить їх важкими для виявлення.
Крім того, віртуальні частинки переносять імпульс від однієї частинки до іншої, але через їхню природу вони не можуть бути безпосередньо зареєстровані. Для дослідників вони простежуються лише через вплив на інші частинки. Які самі по собі залишаються "віртуальними".
Якщо ми говоримо про надлегкі частинки, то вони можуть переносити силу на великі відстані, але їхній вплив занадто слабкий, що робить їх важкими для виявлення. Крім того, якщо частинка визнається надлегкою, вона рухається зі швидкістю, наближеною до швидкості світла, випромінюючи Черенковське випромінювання. Ми думаємо, що воно дуже слабке й важкедля виявлення.
Тобто хоча детектори визначають багато різних типів частинок, виявлення сили, що переноситься надлегкою частинкою, залишається поза кадром науковців.
