
💥 На что бы это было похоже?
Я очень рад поделиться с вами несколькими новыми важными достижениями в нашем понимании Вселенной. Коллаборация KATRIN, созданная для измерения или ограничения массы нейтрино, самой легкой частицы в стандартной модели, только что опубликовала свои первые важные научные результаты. Основываясь на данных о распаде атомов трития и чрезвычайно точных измерениях продуктов их распада в больших объемах, мы теперь можем заключить, что максимальная масса любого вида нейтрино составляет всего 0,45 эВ/с2, или менее одной миллионной массы электрона. Это означает, что разница в массе между электроном и нейтрино больше, чем между электроном и даже самыми тяжелыми частицами в стандартной модели: W, Z, бозоном Хиггса и топ-кварком!
Мы все еще продолжаем поиски самых первых звезд, и становится все менее и менее вероятным, что JWST справится с этой задачей. Все в порядке! JWST не был разработан для поиска первых звезд, но планы по созданию двух новых телескопов могут помочь нам в этом. Благодаря более качественным и точным измерениям окружающей среды вокруг нашей планеты, звезды, галактики и местной группы объектов, мы, наконец, приблизились к пониманию того, как Земля движется по Вселенной в самых разных масштабах. Различные аспекты нашего движения могут быть более (или менее) важны, чем вы думаете. И, наконец, для нашей колонки «Спроси Итана» на этой неделе я был очень рад ответить на вопрос о том, какой была бы наша Вселенная, если бы в ней не было темной материи. Вы можете в это не поверить, но без темной материи велика вероятность того, что люди, жизнь и даже такая планета, как Земля, не смогли бы существовать!
Всякий раз, когда мы смотрим на Вселенную, мы открываем для себя поразительное множество новых вещей, как никогда раньше, и я надеюсь, что с течением времени мы никогда не откажемся от нашего стремления раскрывать реальность на все более глубоком уровне. Хотя, возможно, существует предел тому, что мы действительно можем знать, с каждым новым исследованием и с каждым новым инструментом мы приоткрываем завесу неопределенности, на что способна только наука!
Всего наилучшего, Итан

Кредит : NASA/ESA/Ричард Мэсси (Калифорнийский технологический институт)
Спросите Итана: какой была бы Вселенная без темной материи? В нашей Вселенной темная материя превосходит массу обычной материи в соотношении 5 к 1, формируя Вселенную, какой мы ее знаем. Что, если бы ее просто не было?подробнее
КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ
- Наша Вселенная сформирована всеми различными формами энергии, которые в ней присутствуют: фотонами, нейтрино, обычной материей, темной материей и темной энергией, по крайней мере, насколько мы это понимаем.
- Только при наличии всех этих компонентов Вселенная может расширяться так, как мы ее измеряем, с галактиками, сгруппированными так, как мы их видим, и с реликтовым излучением с флуктуациями, которые мы наблюдаем.
- Что, если бы мы просто убрали темную материю (или что-то, что ведет себя так, как ведет себя темная материя) из уравнения? Как бы изменилась наша Вселенная? Ответ глубже, чем вы думаете.
Здесь, в нашей собственной Солнечной системе, именно обычная материя доминирует над массивными объектами, которые мы наблюдаем и измеряем. Люди, планеты, луны и даже Солнце состоят из одних и тех же типов ингредиентов в своей основе: протонов, нейтронов и электронов, связанных вместе в различные ядра, атомы, молекулы и даже более крупные структуры. Когда мы наблюдаем орбиты этих небесных объектов, то практически не находим места для темной материи; ее присутствие и ее влияние на масштабы Солнечной системы ничтожно и незначительно. Но когда мы смотрим на более крупные космические масштабы, включая:
- масштабы галактик,
- в парах взаимодействующих галактик,
- в группах и скоплениях галактик,
- в скоплениях галактик при столкновениях,
- и в крупномасштабной, нитевидной структуре космической паутины,
Доминирует темная материя, а обычная материя играет важную светящуюся, но гравитационно подчиненную роль. Этого достаточно, чтобы задаться вопросом, если темная материя так важна в этих больших космических масштабах, как бы наша Вселенная была другой, если бы ее просто не было? Вот что хочет знать Дэйв Дрюс, написав, чтобы спросить: «Насколько иной была бы Вселенная, если бы у нас не было эффектов темной материи (чем бы это ни оказалось)? Я использовал «эффекты темной материи», а не просто «темная материя» на тот случай, если окажется, что никакой темной материи нет, это просто какое-то свойство Вселенной, которое мы в настоящее время не понимаем». Чтобы понять, как Вселенная могла бы отличаться, нам нужно сначала вернуться к началу и понять, какую роль играет темная материя. Только тогда мы сможем сравнить это со сценарием, в котором темной материи нет. Давайте выясним!

Когда начался горячий Большой взрыв, Вселенная была заполнена всеми мыслимыми видами частиц и античастиц. При этих очень высоких энергиях, температурах и плотностях было создано все, что могло быть создано, включая каждый квант Стандартной модели. Независимо от того, чем является темная материя, будь то WIMP, аксион или что-то еще, она также была создана очень рано. Хотя Вселенная родилась почти идеально однородной с точки зрения плотности, были области — во всех масштабах размеров — которые родились либо с небольшими избыточными, либо с недостаточными плотностями, в среднем около 1 части на 30 000. По мере расширения и остывания Вселенной в космической истории происходит множество захватывающих событий.
- Электрослабая симметрия нарушается.
- Поле Хиггса придает известным частицам массу покоя.
- Кварки (и антикварки) объединяются в адроны, включая протоны и нейтроны.
- Антиматерия аннигилирует, оставляя лишь небольшой избыток обычной материи над антиматерией (1 протон или нейтрон на каждые ~1,6 миллиарда фотонов).
- Происходят ядерные реакции, в результате которых образуются легкие элементы и их изотопы: прежде всего водород, дейтерий, гелий-3, гелий-4 и литий-7.
- А затем, 380 000 лет спустя, электроны соединяются с ядрами, когда Вселенная достаточно остывает, и образуются нейтральные атомы.
Но между этими двумя последними шагами — после нуклеосинтеза, но до образования стабильных нейтральных атомов — эта «скучная» часть космической истории определила, как развивались эти начальные флуктуации плотности .

В малых космических масштабах по сравнению с космическим горизонтом (или расстоянием, которое свет мог бы пройти с начала горячего Большого взрыва) эти флуктуации плотности претерпевают следующие этапы.
- Гравитация притягивает все больше и больше материи в сверхплотные области, еще больше увеличивая их плотность.
- По мере увеличения плотности излучение вырывается из этих областей, выталкивая с собой обычную материю (в частности, электроны), но не темную материю.
- Это приводит к падению плотности, что приводит к колебаниям: периодическому росту и сокращению этих областей.
- И по мере расширения Вселенной все более крупные масштабы начинают впадать и расти, затем вытекать и сжиматься, а затем колебаться.
- Пока, наконец, не образуются нейтральные атомы, не возникает большой «пик» сверхплотности, куда материя впервые падает прямо сейчас, но никогда не выталкивалась.
Этот процесс создает ряд пиков и долин в температуре космического микроволнового фона; где пики самые высокие, там и сверхплотности самые сильные. Миллионы и даже миллиарды лет спустя самые высокие пики перейдут в самые большие сверхплотности массы, что приведет к космическим структурам в этих масштабах: звездные скопления, карликовые галактики, большие галактики, группы и скопления галактик и даже, в конечном итоге, к великой космической паутине. Эти маленькие космические семена, изначально кажущиеся такими маленькими и незначительными, в конечном итоге вырастут в структуры, которыми обладает Вселенная.

Когда формируются такие структуры — например, такие как галактики — они изначально втягивают в себя материю, независимо от того, какой вид (нормальный или темный) представляет собой эта материя. Если темная материя в пять раз более распространена, чем обычная, то в каждой формирующейся структуре (например, в каждой галактике) начальный состав будет состоять примерно из ~17% нормальной материи и ~83% темной материи. Однако эти два вида материи ведут себя принципиально по-разному.
- Обычная материя, помимо гравитации, может сталкиваться, слипаться, нагреваться, поглощать и излучать свет, терять линейный и угловой импульс, а также образовывать коллапсирующие структуры, включая газовые потоки, звезды и черные дыры, среди прочего.
- С другой стороны, темная материя может только тяготеть. Она не может сталкиваться, слипаться, поглощать или испускать свет или коллапсировать. У нее нет известных взаимодействий, кроме как через чисто гравитацию, с любой другой формой материи или излучения, включая обычную материю и свет.
В результате современные галактики обычно состоят из двух компонентов: компактного барионного компонента, состоящего из обычной материи, в котором находятся все звезды, звездные скопления, газ, пыль, звездные остатки, планеты и многое другое, и диффузного небарионного компонента, состоящего из темной материи, который огромен и существует в большом «пушистом» гало, простирающемся во много-много раз дальше барионного компонента (обычной материи).

Это чрезвычайно важно по ряду причин, но, возможно, самая важная из них заключается в следующем: темная материя отвечает за большую часть гравитационного потенциала галактики. Когда звезды впервые формируются внутри галактики, когда газовые облака коллапсируют и фрагментируются, эти скопления материи:
- нагреваться,
- испускают ветры и радиацию,
- зажечь ядерный синтез в своих ядрах,
- и — для самых массивных звезд — быстро сжигают свое топливо, погибая в звездных катаклизмах, подобно сверхновым.
Ветры и излучение массивных звезд, а также ударные волны от сверхновых оказывают сильное внешнее давление на любую оставшуюся обычную материю, а также могут ионизировать ее и разгонять до больших скоростей. Если бы в этих молодых галактиках было слишком мало гравитации, в целом, то 100% обычной материи, которая не сформировала звезды сразу, была бы выброшена. Этот эффект наиболее важен в галактиках с наименьшей массой (с наименьшим количеством материи и гравитации в целом) и для самых ранних поколений звезд (которые в среднем были больше по массе, голубее, ярче, горячее и короче по продолжительности жизни, чем современные звезды). Если у вас недостаточно гравитации, чтобы удержать остаточный материал, выкованный в первом поколении звезд, вы упустите возможность сформировать будущие, последующие поколения звезд: звезды, обогащенные тяжелыми элементами и способные образовывать каменистые планеты, сложные молекулы и жизнь.

Р. Джей ГаБани; Данные VLA: Э. де Блок (ASTRON)
Чаще всего, когда люди говорят о роли темной материи, они обсуждают тот факт, что она создает иные кривые вращения галактик, чем те, которые существовали бы без нее, поскольку гравитационное распределение вокруг галактики было бы иным. Они говорят о том, как сигналы гравитационного линзирования были бы иными, поскольку распределение материи вокруг галактик, квазаров и скоплений галактик не имело бы этого диффузного, пушистого компонента. Они говорят о том, как сталкивающиеся скопления галактик были бы подчинёны гравитационно нагретому газу, испускающему рентгеновские лучи между двумя основными компонентами, а не просто прошли бы через столкновение, как это делает темная материя. И все это правда, но это ни в коем случае не самые большие изменения во Вселенной. Чтобы увидеть, какие способы еще более глубоки, давайте просто вернемся к началу нашей космической истории, но на этот раз представим, что у нас есть те же ингредиенты в тех же количествах — то же количество обычной материи, то же количество нейтрино, то же количество излучения в форме фотонов, даже то же количество темной энергии — но на этот раз у нас вообще нет темной материи. Первое важное различие начнет проявляться после завершения нуклеосинтеза Большого взрыва, выковывающего легкие элементы, но до того, как сформируются нейтральные атомы.

Без темной материи картина акустических пиков, которые появляются в космическом микроволновом фоне — пики, которые представляют величину температурных колебаний в этом конкретном масштабе — была бы совсем другой. Было бы меньше пиков; первый акустический пик был бы больше и важнее всех остальных; космическая «мощь» (мера кластеризации) была бы сосредоточена в относительно больших космических масштабах: масштабах, которые соответствуют примерно 500 миллионам световых лет сегодня. Это давление излучения «вымыло бы» более мелкомасштабную структуру Вселенной, поскольку излучение эффективно взаимодействует с обычной материей, но не с темной материей. Это соответствовало бы Вселенной, в которой формирование мелкомасштабных структур (в масштабах отдельных галактик и ниже) было бы подавлено по сравнению с галактиками, которые есть в нашей Вселенной. Было бы меньше отдельных галактик в целом, с самого начала. Они не были бы сделаны из смеси темной и нормальной материи, а только из обычной материи: они начинались бы как облака газа. Эти облака газа формировались бы, коллапсировали и создавали бы самые первые звезды во Вселенной, так же, как они это делают в нашей богатой темной материей Вселенной, но почти сразу же возникли бы некоторые существенные различия.

Б. Рейпурт (Университет Гавайев)
Для галактик, которые сформировались во Вселенной без темной материи, они немедленно столкнулись бы с проблемой. Звезды испускают не только видимый свет, но и большое количество ультрафиолетового ионизирующего излучения. Они испускают струи частиц и сдувают большие объемы быстро движущейся материи в виде звездных ветров. А для первых звезд из всех, которые намного массивнее сегодняшних звезд, эти эффекты еще более серьезны. Как только произойдет этот первый всплеск звездообразования, эти эффекты от этих недавно образовавшихся звезд фактически выкипят/испарят всю оставшуюся нейтральную материю, выбрасывая ее из галактики обратно в межгалактическую среду. Не межзвездная среда, которая является пространством между звездами в пределах отдельной галактики, а межгалактическая среда, или пространство между самими галактиками. Без темной материи совместное воздействие звездных ветров и ультрафиолетового излучения дало бы такой сильный «толчок» окружающей материи, что она не просто была бы выброшена обратно в межзвездную среду, но и стала бы полностью гравитационно несвязанной с галактикой, в которой она образовалась. Когда эти звезды продолжают эволюционировать и умирают, что, вероятно, означает сверхновую для большинства этих звезд раннего поколения, выбросы из этих звезд движутся так быстро, что — опять же, без темной материи — они становятся гравитационно несвязанными с оставшимся материалом, который сколлапсировал, чтобы сформировать эти звезды в первую очередь.

Это имеет поистине колоссальное значение для большинства галактик, которые могли бы сформироваться. В отличие от нашей Вселенной (с темной материей), где материал, который был сплавлен в одном поколении звезд, возвращается в межзвездную среду и участвует в последующих поколениях звездообразования, это «первое поколение» звезд является концом линии эволюции галактик в большинстве случаев. Без темной материи выбросы из этих звездных трупов выдуваются в межгалактическое пространство, и не будет никаких будущих поколений звезд вообще. То, что мы считаем галактиками, было бы просто кладбищами, заполненными черными дырами и трупами звезд из первого поколения звездообразования. Когда мы смотрим на отдельные звездные системы, это означает, что сложность — в виде каменистых планет, органических молекул и потенциала для жизни — сильно уступает богатой темной материей Вселенной. Без возможности перерабатывать элементы из одного поколения звезд в другое, в ваших протопланетных дисках не появятся тяжелые элементы (необходимые для образования каменистых планет). Без большого количества углерода, азота, кислорода и даже более тяжелых элементов, таких как кремний, фосфор, медь и железо, не только жизнь была бы невозможной, но единственные планеты, которые вы могли бы сформировать, были бы газообразными мирами, состоящими из водорода и гелия. А без более тяжелых элементов для охлаждения вновь образующихся протозвезд, звезд, которые действительно образуются, будет меньше по количеству, но они будут иметь большую массу и жить меньше. «Подобные Солнцу» звезды были бы редки, а подобные Солнцу звезды с планетами, подобными Земле, были бы почти невозможны.

Даже самые большие, самые массивные галактики потеряли бы большую часть газа, который образует новые звезды, сразу после первого крупного события звездообразования, которое они пережили. Только редкие, очень большие и массивные галактики имели бы надежду произвести много поколений звезд и потенциал для жизни. Вселенная была бы более темным местом, с меньшим количеством галактик в целом. И, наконец, когда мы смотрели на самые большие космические масштабы, без темной материи, чтобы сформировать космическую паутину — невидимый «скелет» или «позвоночник» структуры, которая формируется в нашей реальной Вселенной — не было бы никакого набора нитей, похожих на паутину. Мы бы получили только изолированные острова галактик среднего размера, со структурой как в меньших, так и в больших масштабах, сильно подавленной. Самая важная роль, которую играет темная материя, — это гравитация, и делать это неустанно. Темная материя не подвержена влиянию радиации (в форме фотонов) так, как обычная материя, потому что нет поперечного сечения взаимодействия между темной материей и излучением. Она не слипается и не слипается, как обычная материя, и поэтому ее большая, диффузная, пушистая природа создает гигантские, массивные гало, которые важны для формирования структуры. И ее повсеместное присутствие во всех масштабах придает форму космической паутине и помогает галактикам малого масштаба — самому распространенному типу галактик из всех — формироваться и удерживаться вместе, даже на протяжении поколений звезд.
Спорно, могла ли бы даже в самых благоприятных условиях без темной материи сформироваться планета вроде Земли с живыми существами на ней. Звезд было бы меньше, как и галактик, и только несколько галактик «счастливого размера» могли бы даже сформировать несколько поколений звезд. Без темной материи наша Вселенная имела бы намного меньше структуры, а та структура, которая была бы намного сложнее. Хорошо, что нам не нужно жить без нее, потому что без нее жизнь могла бы быть вообще невозможна.
Отправляйте свои вопросы в рубрике «Спросите Итана» на адрес startswithabang at gmail dot com !