Теория темного диска: дебаты усиливаются — «наука»
В новую эру повальных изучений чёрной материи спорная мысль о ее концентрации в узких дисках выходит из научного забвения
В 1932 год голландский астролог Ян Оорт (Jan Oort) вычислял звезды в Млечном Пути и понял, что их не достаточно. Исходя из того, что звезды, двигаясь по кругу в плоскости галактики, скачут вверх-вниз подобно лошадкам на карусели, Оорт подсчитал, что материи, оказывающей на них гравитационное действие и приводящей их в перемещение, должно быть вдвое больше, чем он заметил. Оорт постулировал, что недочёт восполняется скрытой «чёрной материей», и высказал предположение, что она сконцентрирована в диске, чем и разъясняется перемещение звезд.
Однако, открытие чёрной материи, как именуют невидимое и неизвестное вещество, составляющее пять шестых массы Вселенной, в большинстве случаев приписывают американскому астрологу швейцарского происхождения Фрицу Цвики (Fritz Zwicky), что в первой половине 30-ых годов XX века вывел ее существование из обоюдных перемещений галактик. Оорта обошли славой на том основании, что он шел по фальшивому следу.
К 2000 году авторы новых изучений Млечного Пути, действуя по способу Оорта, определили, что «недостающая» масса содержится в тусклых звездах, пыли и газе, и необходимость в чёрном диске отпала. Намеки, звучащие вот уже 80 лет, показывают на то, что чёрная материя, чем бы она ни являлась, образует около галактик сферические тучи, названные «гало».
Ну, по крайней мере, так говорит большая часть охотников за чёрной материей. Но не смотря на то, что концепция чёрного диска потеряла собственную популярность, всецело от нее ни при каких обстоятельствах не отказывались. А сейчас эта мысль отыскала ответственную поклонницу в лице доктора физических наук Гарвардского университета Лизы Рэндалл (Lisa Randall), которая извлекла теорию диска из научного забвения и выдвинула ее в центр галактической сцены.
Предложив собственную модель в 2013 году, Рэндалл с сотрудниками с того времени говорит, что чёрный диск может растолковать гамма-лучи, идущие из центра галактики, плоское распределение карликовых галактик на орбите около Млечного Пути и туманности Андромеды, а также периодические массовые вымирания и падения комет видов на Земле. Об этом она написала в собственной изданной в 2015 году научно-популярной книге Dark Matter and the Dinosaurs (динозавры и Тёмная материя).
Но астрофизики, ведущие опись Млечного Пути, запротестовали, утверждая, что скачки и общая масса галактики ее звезд через чур прекрасно сочетаются, не оставляя места для чёрного диска. «Она намного теснее, чем вычисляет Лиза Рэндалл», — говорит астрофизик из Университета Торонто Джо Бови (Jo Bovy).
Сейчас Рэндалл, создавшая последовательность больших идей по наиболее значимым вопросам фундаментальной физики, причиняет ответный удар. В работе, размещенной несколько дней назад в сети и принятой к публикации в издании The Astrophysical Journal, Рэндалл и ее студент Эрик Крамер (Eric Kramer) в собственном анализе Млечного Пути нашли лазейку в форме диска: «Существует ответственная подробность, на которую мы до сих пор не обращали внимания, — пишут они. — Диск может создавать пространство для самого себя».
В случае если через «среднюю плоскость» галактики вправду проходит чёрный диск, утверждают Рэндалл и Крамер, тогда он силой тяготения стягивает другую материю вовнутрь, что ведет к увеличению плотности звезд, газа и пыли в средней плоскости. Ученые в большинстве случаев высчитывают неспециализированную видимую массу Млечного Пути способом экстраполяции вовне на базе плотности средней плоскости.
В случае если же существует стягивающий эффект, эта экстраполяция приведет к преувеличению видимой массы, и тогда появится чувство, что масса соответствует перемещению звезд. «По данной причине авторы прошлых изучений не видели свидетельств существования чёрного диска», — говорит Крамер. Вместе с Рэндалл они уверены в том, что узкий чёрный диск вероятен, и что в некоем смысле его присутствие предпочтительнее, чем отсутствие.
«Работа Лизы возродила это дело», — говорит Крис Флинн (Chris Flynn) из Технологического университета Суинберна, что в австралийском Мельбурне. Он вместе с Йоханом Холмбергом (Johan Holmberg) в начале 2000-х совершил пара «описей» Млечного Пути, каковые, казалось, начисто стёрли с лица земли все возможности для существования чёрного диска.
Бови с этим не согласен. Кроме того в случае если учесть стягивающий эффект, по его расчетам, в чёрном диске может пребывать не более 2% общего числа чёрной материи, тогда как другая материя обязана вырабатывать гало. «Я думаю, большая часть людей желает узнать, что такое 98% чёрной материи, а не 2%», — говорит он.
Эти дебаты, как и будущее чёрного диска, смогут не так долго осталось ждать отыскать собственный разрешение. Спутник Gaia Космического агентства ЕС при помощи телескопа на данный момент обследует скорости и положение миллиарда звезд, и окончательный реестр Млечного Пути возможно составлен уже к концу следующего лета.
© ESO/INAF-VST/OmegaCAM/A. Fujii/Digitized Sky Survey 2Молодое скопление галактик Abell 2151 в созвездии Геркулеса
Открытие чёрного диска любого размера было бы очень показательным. Если он существует, чёрная материя окажется куда сложнее, чем с покон веков вычисляли ученые. Материя планирует в форму диска, лишь в случае если имеет возможность излучать энергию, а лучший метод для излучения достаточного количества энергии — организовать атомы.
Существование чёрных атомов означало бы, что тёмные электроны и тёмные протоны, заряженные подобно видимым электронам и протонам, взаимодействуют между собой при помощи чёрной силы, передаваемой чёрными фотонами. Кроме того в случае если 98% чёрной материи инертно и образует гало, существование самого узкого чёрного диска будет означать наличие «чёрного сектора» малоизвестных частиц, столь же разнообразных, как и видимая Вселенная.
«Простая материя достаточно сложна; имеется материя, которая играет роль в атомах, а имеется, которая не играется, — говорит астрофизик Калифорнийского университета в Ирвайне Джеймс Баллок (James Bullock). — Исходя из этого не будет сумасшествием представить, что остальные пять шестых материи во Вселенной также достаточно сложны, и что имеется определенная часть для того чтобы чёрного сектора, которая существует в виде связанных атомов».
Представление о сложности чёрной материи сейчас находит все больше приверженцев, чему оказывают помощь астрофизические странности, каковые не весьма вяжутся с идеей о чёрной материи как о пассивных, медлительных и «слабо взаимодействующих массивных частицах». Эти странности, и тот факт, что на протяжении детальных опытов в различных государствах мира такие тяжелые слабовзаимодействующие частицы (вимпы) так и не были обнаружены, ослабили данную теорию и положили начало новой эре, в которой любой может строить предположения о том, что это за зверь таковой — чёрная материя.
Эта эра наступила где-то в 2008 году, в то время, когда участники опыта PAMELA нашли избыток приходящих из космоса позитронов (если сравнивать с электронами). Эта асимметрия подогрела интерес к сейчас популярной модели «асимметричной чёрной материи», предложенной Катрин Цурек (Kathryn Zurek) и ее сотрудниками.
В то время в ходу было мало идей, не считая концепции вимпов. «Были разработчики моделей наподобие меня, каковые осознавали, что мысль чёрной материи совсем не проработана в этом направлении, — говорит Цурек, трудящаяся на данный момент в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли в Калифорнии. — Исходя из этого мы нырнули в эту работу с головой».
Вторым стимулом стала плотность карликовых галактик. В то время, когда ученые пробуют моделировать их формирование, карликовые галактики в большинстве случаев выясняются через чур плотными в собственных центрах, в случае если ученые не исходят из того, что частицы чёрной материи смогут взаимодействовать между собой посредством чёрных сил. Но в случае если добавить ко мне через чур сильное сотрудничество, то мы уничтожим модели формирования структуры в ранней Вселенной.
«Мы пробуем узнать, что возможно допустить, — говорит Баллок, что кроме этого занимается созданием этих моделей. Большая часть создателей моделей учитывают не сильный сотрудничества, каковые не оказывают действия на форму гало чёрной материи. «Но что примечательно, имеется класс чёрной материи, что разрешает оформиться дискам», — говорит Баллок. В этом случае только маленькая часть частиц чёрной материи будет взаимодействовать, но взаимодействовать они будут достаточно очень сильно, дабы рассеивать энергию, а после этого вырабатывать диски.
Gaia — «огромный глаз» для изучения Млечного пути
La Vanguardia25.10.2012Как колонизировать Млечный путь?
Scientific American21.01.2016
Рэндалл и ее коллеги Джиджи Фан (JiJi Fan), Андрей Кац (Andrey Katz) и Мэтью Рис (Matthew Reece) в 2013 году пришли к данной идее тем же методом, что и Оорт. Они постарались растолковать очевидную аномалию Млечного Пути. Так называемая «линия Ферми» является избытком гамма-лучей определенной частоты, приходящих из галактического центра. «Простая чёрная материя не имела возможности бы стереть с лица земли достаточно, дабы произвести линию Ферми, — говорит Рэндалл, — и исходя из этого мы поразмыслили: что, если она намного плотнее?».
Так чёрный диск взял вторую жизнь. Линия Ферми провалилась сквозь землю, в то время, когда показалось больше данных, но мысль диска все равно стоила того, дабы ее изучить. В 2014 году Рэндалл и Рис предположили, что именно по обстоятельству диска появляются промежутки в 30-35 миллионов лет между нарастающей активностью метеоров и комет, которую кое-какие ученые связывают с периодическими массовыми вымираниями.
Любой раз, в то время, когда Наша система прыгает вверх либо вниз на карусели Млечного Пути, утверждают они, гравитационный эффект диска может дестабилизировать кометы и астероиды в облаке Оорта — данной свалке на задворках отечественной Нашей системы, названной в честь астролога из Голландии. Эти объекты летят к внутренней части Нашей системы, а кое-какие падают на Землю.
Но Рэндалл и ее команда сделали только беглый, и как выяснилось, неверный анализ того, как много места в общей массе Млечного Пути остается для чёрного диска, в случае если делать выводы по перемещению звезд. «Они сделали пара отвратительных заявлений», — сообщил Бови.
Рэндалл, узнаваемая среди сотрудников своим упорством (по словам Риса), привлекла к делу Крамера, дабы ответить на критику и «сгладить все морщины» в анализе, перед тем как станут дешёвы эти Gaia. Новый анализ продемонстрировал, что при существования чёрного диска он не может быть таким плотным, как сначала полагала ее команда. Но для узкого чёрного диска место все же нашлось, в связи с его стягивающим дополнительной неопределённостью и эффектом, позванной чистым дрейфом звезд Млечного Пути, за которыми ведется наблюдение.
Крис Макки (Chris McKee) и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли распознали новую проблему, о которой написали в The Astrophysical Journal. Макки уверен в том, что узкий чёрный диск все еще может втиснуться в запас массы Млечного Пути. Но данный диск возможно такими тонким, что .
Ссылаясь на изучения 1960-х и 1970-х годов, Макки и его сотрудники пишут, что диски не смогут быть намного уже, чем диск видимого газа в Млечном Пути, поскольку в этом случае они разрушатся. «Быть может, чёрная материя владеет особенностями, каковые отличаются от особенностей простой материи и мешают этому, но я не знаю, что бы это могло быть», — сообщил Макки.
Рэндалл пока не парировала эту последнюю атаку, именуя ее «сложным вопросом, что на данный момент изучается». Она кроме этого дала согласие с точкой зрения, высказанной Бови — что диск заряженных чёрных атомов несущественен если сравнивать с природой 98% чёрной материи. Сейчас она изучает возможность того, что вся чёрная материя возможно заряжена одной чёрной силой, но из-за избытка чёрных протонов если сравнивать с чёрными электронами только маленькая часть связывается в атомы и выносится в диск.
При таких условиях диск и гало должны складываться из одних и тех же элементов, «что было бы более экономно», говорит она. «Мы думали, это возможно исключить, но не получилось».
До тех пор пока что чёрный диск живет — как знак всего того, что неизвестно о чёрной стороне Вселенной. «Я думаю, для данной области весьма и крайне полезно то, что различные люди разглядывают самые различные идеи, — говорит Баллок. — По причине того, что мы понятия не имеем, что это такое — чёрная материя, и должны быть готовы к самым различным вариантам».
