Только 5% Вселенной состоит из обычного «материала», как мы. Может ли быть темная материя или темная энергия жизни, или даже инопланетяне, где-то там?
- Здесь, в нашей Вселенной, мы знаем, что привычное, знакомое «вещество», из которого мы состоим, атомы и их составляющие, составляют всего 4,9% от общего количества энергии, присутствующей во Вселенной.
- Большая часть того, что там находится (68%), находится в форме таинственной формы энергии, которая, по-видимому, присуща космосу, — темной энергии, в то время как большая часть остального (27%) состоит из темной материи, которая не взаимодействует со светом или обычной материей каким-либо известным способом, кроме гравитации.
- Возможно ли, что «люди», подобные нам, входящие в эти 4,9%, являются космическими изгоями в нашей Вселенной, и что большинство существ, даже разумных, могут быть «темными» по своей природе? Давайте рассмотрим это!
Когда речь идет о Вселенной в целом, «вещество», из которого мы сделаны — атомы и их составляющие частицы — играет важную роль. Протоны, нейтроны и электроны в атомных, ядерных и ионных конфигурациях составляют все излучающие и поглощающие свет структуры, о которых мы знаем. Звезды, галактики, газ, пыль, плазма, черные дыры и многое другое — все это состоит из этих простых ингредиентов, и в них мало места для чего-либо еще. И все же они составляют всего 4,9% Вселенной. В целом, наиболее распространенной формой космической энергии является темная энергия, составляющая 68% бюджета космической энергии, за которой следует темная материя, составляющая 27% всего, что есть.
Ну, если нормальная материя, или материя, как мы, может создавать такие интересные формы, структуры и существ, что насчет темной материи? Это то, что наш читатель Уэсли хочет знать, написав нам, чтобы спросить:
«…возможно ли, что мы являемся аномалиями? Если темная энергия… и темная материя [намного более распространены, чем обычная материя], может ли существовать целый другой темный мир элементов, энергии и т. д., из которого развилась темная разумная жизнь? Они задаются вопросом, кто мы, пока мы задаемся вопросом, кто они? Если немного углубиться в кроличью нору, может ли UAP быть темной разумной жизнью, исследующей нашу «видимую» сторону?»
Это может показаться дикой, спекулятивной идеей, особенно учитывая, как мало мы знаем о темной энергии. Но мы знаем гораздо больше, чем вы могли бы подумать, и хотя этот сценарий увлекательный, он очень жестко ограничен. Вот почему.
Эта суперкомпьютерная симуляция показывает возникновение вращающегося диска после сотен миллионов лет космической эволюции из газа и пыли; симуляция также включает звезды и темную материю, которые здесь не показаны. Если бы темная материя была видима, она создала бы огромное гало, намного большее по радиусу, чем весь размер показанного здесь изображения.
Ключевое свойство обычной материи — вещества, из которого состоят атомы, — позволяющее ей образовывать сложные, связанные, коллапсирующие структуры, — это электромагнетизм. Тот факт, что материя, о которой мы знаем и с которой знакомы, материя, из которой состоят галактики, звезды, планеты, молекулы и все формы жизни, может создавать знакомые нам структуры, объясняется двумя основными свойствами, которыми она обладает. Насколько нам известно, материя существует в двух основных разновидностях: тяжелые, положительно заряженные атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, и легкие, отрицательно заряженные электроны, которые могут образовывать связанные состояния (атомы и ионы) с этими атомными ядрами.
И тот факт, что эти два основных вида заряженных частиц, ядра и электроны, создают электрические и магнитные поля и взаимодействуют со светом, просто существуя и обладая свойствами, которыми они обладают.
Вот почему обычная материя может образовывать связанные состояния, как атомы. Вот почему обычная материя может поглощать свет, делая такие вещи, как ионизация или переход в возбужденное состояние. Вот почему атомы могут связываться и образовывать молекулы и даже более сложные структуры. И это также фундаментальная причина того, что обычная материя может коллапсировать: потому что она может излучать энергию в форме света.
Шесть из восьми систем с четырьмя линзами из исследования 2020 года использовались для установки наилучших модельно-независимых ограничений на температуру/массу темной материи только из формирования структуры. Этот метод не включал никакой зависимости от взаимодействия между нормальной материей и темной материей, а скорее вариации в линзированных изображениях позволили исследователям обнаружить наличие и свойства субструктуры темной материи в этих линзированных системах. Она скапливается в диффузные гало с субструктурой гало внутри нее, но не дает никаких доказательств гравитационного коллапса или испускания темного излучения.
Тогда вы можете задаться вопросом о темной материи. Темная материя, определенно, не обладает этими свойствами . Есть много вещей, которые мы принципиально не знаем о темной материи, включая:
- будь то тяжелый или легкий, по своей природе,
- сколько существует частиц темной материи,
- существует ли только один вид темной материи или
- существует много видов темной материи,существуют ли «темные свойства», такие как темное излучение, взаимодействия, которые существуют только между частицами темной материи,
- или самовзаимодействия, которые испытывает темная материя,
- или является ли это вообще частицей или каким-то новым типом материи, например, массивной темной жидкостью.
Единственная значимая информация, которой мы располагаем о темной материи, поступает косвенно: из ее гравитационного воздействия на Вселенную. Это означает, что мы можем смотреть на сигнатуры того, как темная материя изгибает ткань пространства, гравитационно, и наблюдать, как свет, излучаемый вдоль нашей линии зрения, из-за этой структуры темной материи, подвергается влиянию присутствия темной материи. Мы смогли определить огромное количество информации о темной материи из этого, и несколько наблюдений выделяются как колоссально важные: сильное и слабое гравитационное линзирование, крупномасштабное структурное образование Вселенной, барионные акустические колебания, космический микроволновый фон и распределение внутрикластерного света, отслеживающего темную материю.
На этом снимке Хаббла массивного скопления галактик MACS J1206 показаны дугообразные и размытые особенности, вызванные гравитационным искривлением света переднего скопления галактик. Мелкомасштабные концентрации темной материи, представленные синим цветом, были реконструированы на основе данных линзирования. Объединение этой информации линзирования с информацией о внутрикластерном свете, которая является другим независимым индикатором темной материи, может выявить ее присутствие и распределение, как никогда ранее. С помощью такого анализа мы обнаруживаем, что все гало темной материи состоят из богатого набора подструктур темной материи.
Когда мы собираем все эти линии доказательств вместе, мы обнаруживаем, что темная материя невероятно согласуется с тем, что взаимодействует только гравитационно: без электромагнитных или ядерных взаимодействий, и вообще без самовзаимодействий, если на то пошло. Наши моделирования, особенно в больших космических масштабах, показывают нам совершенно определенно, что темная материя должна была быть:
- рождённые холодными или движущиеся медленно по сравнению со скоростью света, даже в ранние космические времена,
- сгруппированы не просто в гигантские галоподобные структуры, но и содержат богатый набор меньших гало (т.е. субструктур темной материи), встроенных в них,
- неспособный сбросить даже существенную часть своего линейного и углового импульса, поскольку он остается рассеянным и не коллапсировал каким-либо измеримым образом, даже спустя 13,8 миллиарда лет,
- и тем не менее, он должен быть массивным, даже если не проявляет никаких электромагнитных или ядерных взаимодействий.
Но, возможно, самым поразительным свойством темной материи является следующее: тот факт, что, несмотря на невероятно чувствительные поиски, мы никогда не могли обнаружить ее напрямую. Мы никогда не видели, чтобы она поглощала или испускала свет; мы никогда не видели, чтобы она поглощалась или испускалась каким-либо квантом известной (нормальной) материи; мы никогда не были свидетелями того, как она отскакивала или ударялась и передавала импульс частице обычной материи; мы никогда не создавали в лаборатории сигнатуру, которая соответствовала бы частице темной материи. Несмотря на все наши поиски, попытки прямого обнаружения ни к чему не привели.
Эти два графика показывают независимые от спина ограничения поперечного сечения между WIMP и темной материей из XENON (слева) и для XENON по сравнению с PANDA-X и LZ, которые являются двумя конкурирующими современными экспериментами с темной материей. С его текущими улучшениями XENON будет конкурентоспособен с обоими и может еще превзойти их всех в течение следующих нескольких лет.
Вы могли бы подумать, что это исключит возможность связывания темной материи в связанную структуру любого типа. Не должно быть никаких темных атомов, темных планет, темных звезд или темных существ; это простое ожидание. Но тогда вы можете спросить: существуют ли какие-либо косвенные наблюдения в астрофизике, которые намекают на то, что темная материя на самом деле может на каком-то уровне взаимодействовать сама с собой , даже если она не взаимодействует с обычной материей, со светом или с какой-либо из известных частиц Стандартной модели?
И есть место, где мы можем это искать: в самых мелких структурах, которые гравитационно связаны, которые содержат точки света внутри себя (т. е. звезды), и которые также должны иметь обильные количества темной материи внутри себя. Если вы посмотрите на отдельные галактики, вы обнаружите, что для больших галактик, подобных Млечному Пути, они очень соответствуют тому же соотношению темной материи, которое, по-видимому, сохраняется во всем космосе в больших масштабах: что темная материя «превосходит» обычную материю примерно в соотношении 5:1. Однако по мере того, как мы переходим к меньшим масштабам, мы начинаем видеть, как это соотношение меняется. В среднем оно увеличивается, чем меньше масса нашей галактики, о которой идет речь, с соотношениями, которые выглядят скорее как 10:1, 100:1 или в самых крайних случаях 1000:1 или более.
Многие близлежащие галактики, включая все галактики местной группы (в основном сгруппированные в крайнем левом углу), демонстрируют связь между массой и дисперсией скоростей, которая указывает на присутствие темной материи. NGC 1052-DF2 — первая известная галактика, которая, по-видимому, состоит только из обычной материи, а в 2019 году к ней присоединилась DF4. Однако такие галактики, как Segue 1 и Segue 3, особенно богаты темной материей; у них большое разнообразие свойств, а галактики без темной материи изучены недостаточно.
Что здесь может происходить? Может ли темная материя взаимодействовать каким-то образом, выходящим за рамки того, что мы сейчас думаем?
Это возможно, но простейшее объяснение этого не требует. Вместо этого, хотя ожидается, что и обычная материя, и темная материя будут тяготеть, обычная материя может делать то, чего не может темная материя, в том числе:
- гравитационно коллапсировать ,
- излучать тепло (т.е. охлаждать),
- образуют звездные структуры (т.е. звезды),
- подвергаться ядерному синтезу,
- испускать радиацию,
- и выталкиваться наружу этим электромагнитным излучением.
Так же, как звездообразование создает ветры и внешнее давление, именно обычная материя, и только обычная материя, выдувается наружу этими процессами, в которых участвуют частицы Стандартной модели. Если есть достаточно большой гравитационный потенциальный колодец — вызванный сочетанием обычной и темной материи — в котором находятся эти формирующиеся звезды, то они не покинут галактику, в которой находятся, и это соотношение темной материи к нормальной материи останется постоянным. Но если общей материи слишком мало, темная материя останется нетронутой, в то время как выбрасывается только обычная материя, увеличивая соотношение темной материи к нормальной материи в поздние времена. Однако на темную материю повлияет перераспределение этой обычной материи: как из центральных областей, так и из более удаленных, к внешним.
Темная материя, помните, насколько мы можем судить, ведет себя как вид массивной частицы, которая взаимодействует только гравитационно. Оказывается, это означает следующее.
- Поскольку обычная материя образует звезды, а эти звезды испускают ветры и излучение,
- эти ветры и излучение выталкивают обычную материю наружу,
- вытесняя часть его из галактик с малой массой и удаляя его из центральных областей галактик во всех случаях,
- и что движение обычной материи изменяет гравитационное распределение материи в целом в галактическом центре,
- что приводит к изменению распределения темной материи в галактике, особенно в ее центральных областях.
Мы даем этому явлению противоречивое название: динамический нагрев темной материи. В отличие от обычного нагрева, который включает передачу либо кинетической (энергии движения) энергии, либо тепловой (тепловой) энергии посредством столкновений или излучения, динамический нагрев — это эффект, при котором движение частиц и их гравитационное влияние изменяют движение других частиц. Этот динамический нагрев темной материи из-за эффектов обратной связи от движения обычной материи в результате звездообразования может играть важную роль в большинстве небольших галактик: тех, в которых содержится около 100 000 звезд или больше. Но это значит, что в самых крайних случаях есть некое пространство для маневра: для галактик с наименьшими из всех звездных масс.
Эта «почти темная» галактика, прозванная Nube, является невероятно рассеянной галактикой, обнаруженной в группе многих других галактик. Считается, что эта ультра-диффузная галактика, в которой есть лишь небольшая горстка звезд внутри большой массы нейтрального водорода, обязана своими свойствами факторам окружающей среды. С таким большим количеством водорода и таким малым количеством звезд она представляет собой захватывающий аномалию среди традиционно известных галактик. Ее прошлая история звездообразования была в значительной степени стерта за миллиарды лет, прошедшие с момента ее последнего крупного эпизода звездообразования.
Эти галактики с ультранизкой массой, некоторые из которых очень раздуты и/или очень рассеяны, являются единственным местом во Вселенной, которое наиболее предполагает возможное самовзаимодействие темной материи. Если темная материя:
- является столкновительным и имеет очень большое поперечное сечение с самим собой,
- подчиняется своего рода правилу исключения, так же как фермионы подчиняются принципу исключения Паули,
- или могут слипаться, даже немного, образуя некое связанное состояние с самим собой,
это могло бы помочь смягчить наблюдаемые противоречия между свойствами этих галактик и стандартной теорией бесстолкновительной, холодной темной материи. Именно здесь находится наибольшее количество пространства для маневра для самовзаимодействующей темной материи.
Но, возвращаясь к первоначальному вопросу, может ли это допустить существование «темной, разумной жизни» какого-либо типа?
Это очень, очень маловероятно. Жизнь, насколько мы ее знаем, требует метаболизма и способности к самовоспроизведению, как минимум. Разумная жизнь требует гораздо большего: способности использовать энергию, использовать инструменты и разрабатывать технологии, и — если мы хотим пойти дальше и надеяться, что это космическая цивилизация, созданная из «вещей» темного сектора — путешествовать из одного места в другое самостоятельно. Темная материя, исходя из того, что о ней известно, даже если она обладает какой-то очень слабой формой самовзаимодействия, не должна быть способна делать ничего из этого.
Картографируя трехмерные положения галактик в большом объеме Вселенной, ученые в рамках сотрудничества DESI обнаружили некоторые (но не подавляющие) наводящие на размышления доказательства того, что сила темной энергии ослабла (и ослабевает) со временем. Темная энергия, однако, не может быть комковатой, не может излучаться и не является неоднородной в пространстве; мы не можем наверняка сформировать из нее какие-либо связанные структуры.
А что же насчет темной энергии?
Ситуация еще хуже. Темная материя, по крайней мере, обладает способностью скапливаться, благодаря своей ненулевой массе покоя. (Или, точнее, ее поведению, которое согласуется с наличием ненулевой массы покоя.) Но темная энергия вообще не имеет массы покоя и ведет себя так, как будто это форма энергии, присущая самому пустому пространству, в одиночку. Она не скапливается, не обладает неоднородностями, не более (или менее) сгруппирована везде, где присутствует обычная и темная материя. Вместо этого она ведет себя так, как будто она совершенно однородна, во всех направлениях и местах, и, по-видимому, не взаимодействует каким-либо иным образом, даже если оказывается (и доказательства здесь весьма сомнительны) меняющейся со временем.
Строго говоря, мы можем быть на 100% уверены, что неопознанные воздушные явления — в настоящее время известные как UAP и ранее известные как НЛО — абсолютно не могут быть сделаны ни из темной материи, ни из темной энергии по одной простой причине: они наблюдались напрямую! У нас есть очень жесткие экспериментальные и наблюдательные ограничения на то, сколько темной материи и темной энергии могут взаимодействовать с обычной материей и со светом, и уже наблюдаемые UAP/НЛО явно излучают свет таким образом, что исключают любое правдоподобное объяснение их темной материей/темной энергией. Что бы они ни были, они не могут быть сделаны из «темного вещества».
В 2009 году это странное спиралевидное световое шоу появилось над Норвегией, напугав многих жителей и вызвав множество заявлений о наблюдении НЛО. Виновником оказалась российская военная ракета, которая потерпела неудачу при запуске. Являются ли НЛО/БПЛА внеземными по происхождению или являются результатом деятельности разумных инопланетян, еще предстоит установить.
И это полная история. Любые разумные инопланетяне, которые там, летающие по галактике или пересекающие Вселенную, должны иметь какой-то способ двигаться, что требует какой-то реакции с выделением энергии. Поскольку мы не можем обнаружить эту энергию в какой-либо известной форме — например, в форме света или обычной материи — единственный другой вариант заключается в том, что любая излучаемая энергия также полностью темная. Темная энергия не может участвовать в этом; это должна быть темная материя. Но у нас уже есть очень жесткие ограничения на то, что темная материя может и не может делать, поскольку мы достаточно наблюдали за Вселенной, материей в ней, как она гравитационно распределена и как темная материя в ней не коллапсирует и не распадается, так что любой сценарий, в котором темная материя становится разумными инопланетянами, крайне ограничен, если не исключен полностью.
Однако это должно еще больше подтолкнуть нас к тому, чтобы узнать больше о темной материи. Это включает в себя более глубокое исследование ее природы: взаимодействует ли она вообще с обычной материей или со светом? Взаимодействует ли она слабо, и можем ли мы исследовать ее с помощью нейтрино или ядерных взаимодействий? Можем ли мы узнать о ней больше, изучая более подробно, чем когда-либо, поведение галактик с наименьшей массой и отслеживая движения отдельных звезд внутри них?
Мы должны признать тот факт, что «нормальное вещество» во Вселенной составляет всего 5% от общей энергии того, что там есть. Темная энергия может быть гладкой и однородной, но темная материя — нет. Если мы хотим знать, что возможно с ней, а что нет, мы должны узнать об этой загадочной субстанции как можно больше. В конце концов, в космическом масштабе она гораздо важнее с точки зрения энергии, чем
все остальное, что мы когда-либо открывали.
Отправьте свой вопрос в рубрике «Задайте вопрос Итану» на адрес startswithabang at gmail dot com !