Який насправді Всесвіт? Адже є деякі речі, в існуванні яких ми можемо бути впевнені на підставі наших спостережень. Але більшість явищ природи, як і фізичних процесів, що відбуваються навколо нас, присутні виключно в комп'ютері, у вигляді математичних моделей. Причому як на основі тих самих спостережень, так і "в чистому вигляді", без теоретичної зв'язки з тим, що ми звикли вважати "реальністю".
Ми знаємо, що в далекому минулому Всесвіт був гарячішим, щільнішим і одноріднішим. Ми знаємо, що зірки і галактики росли й еволюціонували в міру старіння Всесвіту.
Ми знаємо, що гравітація сформувала великомасштабну структуру Всесвіту, і ця структура ставала все більш складною з плином часу.
Ми також знаємо, скільки звичайної матерії загалом присутня в просторі-часі, і що її недостатньо для пояснення всього набору гравітаційних ефектів, які ми спостерігаємо.
Отже, якщо звичайна матерія не може бути всім, що є, то що ж ще може бути? Провідна ідея - темна матерія, але ми не знаємо точно, що це таке. Що, якщо це просто світло? Чи можливе таке? Саме це хоче з'ясувати астрофізик Енон Тревіс Сай, запитуючи:
"Я б хотів прочитати статтю про те, чому світло не є кандидатом на темну матерію, особливо у світлі (каламбурно) нещодавніх статей про 50-відсоткове перевищення навколишнього світла у Всесвіті та відомих феноменів видимої маси, яку фотони можуть чинити на простір-час...".
Це цілком розумна ідея. Чому?
Справді, існує надлишок навколишнього світла, яке ми бачимо у Всесвіті. Зокрема, в Сонячній системі, що зафіксував космічний апарат New Horizons за межами орбіти Плутона.
Чи є космос абсолютно темним?
Логічно так і має бути, але команда New Horizons виявила зовсім інше. Надлишок світла було отримано з очікуваних джерел: шум камери, розсіяне сонячне світло, надлишкове позаосьове світло зірок, кристали від тяги космічного апарата та інші інструментальні ефекти.
Але ці феномени можна змоделювати й оцінити кількісно. Проте, коли вони були обчислені, незаперечний надлишок залишився.
Частина з них припадає на площину пояса Койпера. Частина "розташована" в багатій пилом площині Чумацького Шляху. Чому ж так багато світла?
Астрофізики розглядають 6 теоретичних можливостей:
- зірки та галактики, які ми можемо ідентифікувати;
- слабкі зірки і галактики, які (поки що) не можуть бути ідентифіковані;
- розсіяне інфрачервоними "цирусовими" хмарами світло;
- розсіяне сонячне світло від будь-якого пилу, що залишився на околицях Сонячної системи;
- додаткове світло всередині Сонячної системи;
- дифузний космічний оптичний фон, який не пов'язаний навіть із (не) ідентифікованими джерелами.
За розрахунками, світла нині вдвічі більше, ніж очікувана кількість і щільність зірок і галактик. Тобто в матеріальному всесвіті світла більше, ніж "має бути".
Чи пояснює надлишок світла додаткову гравітацію, яка необхідна у Всесвіті? Також ні.
З двох причин. Перша полягає в тому, що загальна кількість енергії, укладена в цьому світлі, мізерно мала: лише кілька десятків нановат на квадратний метр простору. Це сума всіх форм енергії, які роблять внесок у викривлення простору-часу і призводять до гравітаційних ефектів, локалізованих у просторі.
Загальна частка енергії, яка закодована в усьому світлі у Всесвіті, становить близько 0,01% від критичної густини енергії, в той час як загальна частка темної матерії повинна становити близько 27% від критичної густини енергії. Навіть якщо ми відхиляємося у 2 рази, або 10, або 100 разів, ми не наближаємося до врахування темної матерії.
Але інша причина, можливо, навіть більш переконлива: тільки речі з ненульовою масою спокою можуть поводитися як темна матерія, а світло, наскільки нам відомо, безмасове. Насправді, якби воно не було безмасовим, то воно не рухалося б зі швидкістю світла.
У 2017 році відбулося неймовірне спостереження. 17 серпня 2017 року прилад Fermi Gamma-ray Burst Monitor виявив локалізований набір високоенергетичних фотонів: класична ознака гамма-сплеску.
Гамма-сплески бувають двох видів: короткоперіодичні (менш як 2 секунди), які, як припускають, спричинені злиттям нейтронних зірок, та довгоперіодичні (більш ніж 2 секунди), які, начебто, виникають унаслідок колапсу ядра масивних зірок, що швидко обертаються.
Спостереження короткоперіодичного гамма-сплеску - захопливе видовище, але воно не зробить революцію у світі науки.
Принаймні, не сам по собі. Примітно те, що лише кількома секундами раніше детектори гравітаційних хвиль LIGO і Virgo також спостерігали сигнал, який було локалізовано в небі точно в тому самому місці.
Сигнал спостерігався всього близько 10 секунд, але мав усі характеристики фінальної спіралі і кінцевого злиття двох масивних, компактних об'єктів. Сигнал різко обірвався в певний момент часу, який являв собою злиття двох нейтронних зірок на відстані приблизно 130 мільйонів світлових років від нас.
А потім, усього через 1,7 секунди, у детектор Фермі прийшли гамма-промені, причому всі відразу.
Подумайте про це. Сталася подія: два масивні, компактні, астрономічні об'єкти злилися разом у певний момент часу. Гравітаційні хвилі поширилися зі швидкістю світла Всесвітом, подолавши відстань приблизно в 130 мільйонів світлових років. Точно в той самий момент, коли відбувається злиття, утворюються високоенергетичні фотони, і вони теж мандрують, долаючи відстань у 130 мільйонів світлових років, поки не потрапляють на наш детектор.
Підсумок: два сигнали, випущені майже в один і той самий час (з точністю до 2 секунд один від одного), подорожували космосом 130 мільйонів років і прибули в кінцевий пункт призначення із запізненням у 2 секунди один від одного. Вони практично здійснили ультрамарафонський забіг лоб в лоб один проти одного, рухаючись з неймовірною точністю й однаковою швидкістю. Інакше кажучи, якщо фотон має масу, то ця маса має бути настільки малою, що фотон, який мчить, і гравітаційна хвиля, яка мчить, не розрізняються між собою протягом 100 000 000 років безперервного руху.
Насправді, існує безліч доказів, які встановлюють верхні межі на масу фотона, причому магнітогідродинамічні ефекти сонячного вітру забезпечують найсильніше обмеження на те, що його маса спокою має бути меншою за 10-18 еВ/c2, або менш ніж одна мільярдна-мільярдна-мільярдна-мільярдна частина маси протона. Якщо фотони дійсно мають масу спокою, то вона має бути абсолютно мізерною.
Чого достатньо, щоб убити фотон як кандидата на роль темної матерії.
Але якщо в нього є маса, то він поводитиметься як матерія. І він буде гравітувати. Але якщо не зможе вибратися з галактики або скупчення галактик, до яких гравітаційно прив'язаний, хіба він не поводитиметься як темна матерія?
Цілком. Якби у фотона була маса, і якби у нього було так мало кінетичної енергії, що він упав би в галактику, то допоміг би додати до маси спокою цієї структури. Він би гравітував, але не випромінював власне світло. Галактика функціонувала б як темна матерія.
І все ж, це не пояснює наявність темної матерії в нашому Всесвіті. Навіть якщо фотони мають масу, ми повинні поставити запитання: "Якою кількістю енергії насправді володіють фотони у Всесвіті?"
Відповідь для найбільш довгохвильових і низькоенергетичних фотонів: набагато більше енергії, ніж максимально допустима маса спокою, яку вони можуть мати.
Насправді, якщо ви хочете, щоб фотони рухалися зі швидкістю, меншою за швидкість світла, вони повинні подовжитися так, щоб їхня довжина хвилі перевищувала 1 мільярд кілометрів: трохи більше, ніж приблизна відстань від Сонця до Юпітера.
У цьому і полягає вся проблема. Темна матерія не просто падає в масивні скупчення, які вже присутні у Всесвіті. Вона призводить до початкового утворення масивних скупчень у Всесвіті і є основною причиною формування великомасштабної структури, яку ми бачимо.
Це означає, що темна матерія повинна рухатися нерелятивістськи, або з повільними швидкостями порівняно зі швидкістю світла, причому з дуже ранніх часів. Ось чому іноді можна почути розрізнення між гарячою, теплою і холодною темною матерією. Всесвіту дуже важливо, наскільки швидко ТМ рухалася в усі часи порівняно зі швидкістю світла.
Іншими словами, темна матерія повинна бути холодною, тобто вона повинна рухатися повільно порівняно зі швидкістю світла з часів, коли Всесвіт був гарячим і щільнішим.
Насправді Всесвіт наповнений однією з форм гарячої темної матерії: нейтрино, які були створені у величезній кількості разом із фотонами на ранніх стадіях гарячого Великого вибуху. Нейтрино мають масу спокою, і вона в трильйон разів більша, ніж максимально можлива маса фотона.
Фотони, навіть найнизькоенергетичніші, все одно рухалися б зі швидкістю світла або близько того. Навіть якби вони мали масу, і навіть якби вони діяли як темна матерія, вони не пояснюють наявність темної матерії у Всесвіті. Їхні астрофізичні ефекти не описують спостереження галактик, скупчень галактик, космічного павутиння і недосконалостей, які ми спостерігаємо в космічному мікрохвильовому фоні. Темна матерія має бути чимось іншим.
Єдиний спосіб, яким масивні фотони могли б у принципі пояснити наявність темної матерії у Всесвіті, - це якби вони якимось чином були створені після Великого вибуху без кінетичної енергії: народилися б холодними.
Хоча це звучить божевільно, насправді існує кандидат у частинки темної матерії, що має мізерну масу і має механізм їхнього утворення в стані спокою: аксіон.
Хоча фотон, як ми знаємо, не підпорядковується цим правилам, теоретики придумали дуже розумні модифікації можливих правил. Або модифікований фотон плюс додатковий механізм для їхнього народження за дуже низьких енергій у дуже великій кількості, або споріднений тип частинок, відомий як темний фотон, потенційно може стати свого роду кандидатом у темну матерію.
Однак світло - це електродинаміка Максвелла і квантова електродинаміка Фейнмана. І воно поводиться як випромінювання, а не як матерія будь-якого типу.
Існує безліч варіантів того, чим потенційно може бути темна матерія. На жаль, жодна з частинок Стандартної моделі, включно навіть з масивним фотоном, не здатна впоратися з цим завданням.
За матеріалами Big Think
