Книга "Млечный Путь, XXI век", No 2 (39), 2022 - Евгения Фихтнер

class="empty-line"/>

Когда исследования, такие как Sloan Sky Survey, наносят на карту расположение галактик во Вселенной, причем самые большие особенности называются крупномасштабными структурами, ученые видят набор паттернов, которые не могли бы произойти только с гравитацией, вызванной обычной материей. Мы знаем, что до реликтового излучения обычная материя не могла эффективно слипаться в плотные объекты из-за колебаний конкурирующих сил гравитации и давления излучения.

Структура, которую мы наблюдаем, гораздо более продвинута в своей эволюции, учитывая количество времени, доступное объектам для гравитационного коллапса после времени реликтового излучения. Присутствие темного вещества позволило областям Вселенной коллапсировать в образования, которые способствовали формированию галактик.

Но что, если есть другое объяснение? Что, если мы просто работаем с неправильной парадигмой? В конце концов, где написано, что все бесчисленные мегапарсеки пустого пространства должны иметь (за неимением лучшего описания) одинаковую плотность?

Давайте сначала посмотрим на гелиопаузу, защитный пузырь частиц и магнитных полей, окружающий нашу Солнечную систему и созданный нашим Солнцем. Что находится за ее пределами? "Удар носовой части", который инстинктивно понял бы любой профессиональный моряк. Этот удар носовой части - граница, и она очень незначительна, но она есть. "Вояджер-2" теперь испытывает влияние межзвездной среды вместо солнечного ветра. Если есть такая граница между Солнечной системой и межзвездной средой, то почему бы не быть также границе между окрестностями нашей галактики и межгалактической средой? Или, если на то пошло, между границей галактических скоплений и пустотой за ними?

Гелиосфера

Гелиопауза, по сути, связана с излучением и солнечным магнитным полем, но что, если это нечто большее? Мы уже знаем, что гравитация "растягивает" пространство-время. Мало того, хотя "Вояджер-2" уже прошел через гелиопаузу, он не достигнет облака Оорта еще 300 лет. Да, есть загвоздка. Насколько мы можем судить, Облако Оорта - это внешняя граница действия гравитации нашего Солнца. Как только "Вояджер-2" выйдет из-под гравитационного влияния Солнца, что тогда? Никто из ныне живущих не может этого знать, но мы знаем, что "Вояджер-2" преодолеет границу. А когда дело доходит до понимания межзвездного пространства, именно граница является одним из ключей к пониманию целого.

Пространство-время не одинаково во всех местах и во времени. Наиболее очевидным признаком являются черные дыры с эффектом линзы Тирринга, более известным как "перетаскивание кадра". Когда массивный объект вращается, он деформируется и "перетаскивает" ткань пространства-времени вокруг себя, эффект, который уподобляют помещению шарика в мед и вращению шарика, причем мед настолько липкий, что имеет тенденцию вращаться вместе с шариком.

Дело в том, что если этот эффект наблюдался на планетарном уровне, то почему он не мог воздействовать на ткань пространства-времени в рамках всего гравитационного поля объекта, независимо от того, генерируется ли это гравитационное поле планетой, звездой, галактикой или скоплением галактик? Да, эффект будет значительно меньше, но он все еще может существовать.

Мы знаем, что пространство-время не одинаково во всех местах и во все времена. Но что насчет ткани самого пространства-времени? Мы не можем это наблюдать. Благодаря эффекту Казимира есть большая вероятность существования так называемой квантовой пены, невероятно маленьких виртуальных частиц планковской длины, которые появляются и исчезают в невообразимо коротком масштабе планковского времени. Но этот процесс (если теория верна) происходит в каждом кубическом миллиметре каждого кубического мегапарсека Вселенной.

Однако уместен вопрос: является ли это вечное шипение виртуальных частиц постоянным и одинаковым во всей Вселенной? Если нет, если эта квантовая пена действительно существует, но не одинакова в каждом кубическом миллиметре Вселенной, то это открывает очень реальную возможность того, что сама ткань пространства состоит из различных консистенций в зависимости от того, находится ли она в Солнечной системе, или в галактике, или в скоплении галактик. Если консистенции не равны, то различные регионы Вселенной вполне можно уподобить нефти и воде, что приводит к геометрии, точно такой же, как описанная выше в Слоановском цифровом обзоре неба.

Предположение может также работать в галактическом масштабе, поскольку, если эта квантовая пена имеет другую консистенцию, то область пространства-времени, содержащая галактику, может сама вращаться вместе с этой галактикой, что объясняет проблему вращения галактики.

***

Роберт Ли

Темное вещество - реликт из дополнительных измерений?

Массивные гравитоны, возможно, образовались через триллионную долю секунды после Большого взрыва, и их количество достаточно велико, чтобы объяснить темное вещество.

Изображение из Космического шоу Hayden Planetarium Американского музея естественной истории "Темная вселенная" демонстрирует пример того, как всепроникающее темное вещество может преследовать нашу Вселенную. На кадре из детального компьютерного моделирования сложные нити темной материи разбросаны по Вселенной, как паутина, а относительно редкие сгустки знакомой барионной материи окрашены в оранжевый цвет. Эти симуляции хорошо статистически соответствуют астрономическим наблюдениям.

Темное вещество, хотя и довольно странное и в неизвестной форме, больше не считается самым странным источником гравитации во Вселенной. Теперь эта честь принадлежит темной энергии, более единообразному источнику отталкивающей гравитации, которая, кажется, теперь доминирует над расширением всей Вселенной.

Темное вещество, неуловимая субстанция, составляющая большую часть массы Вселенной, может состоять из массивных частиц, называемых гравитонами, которые возникли в первый момент после Большого взрыва. И эти гипотетические частицы могут быть космическими беженцами из дополнительных измерений, предполагает новая теория. Расчеты исследователей показывают, что эти гравитоны могли образоваться в нужных количествах, чтобы объяснить темное вещество, которое можно "увидеть" только через его гравитационное притяжение к обычной материи.

"Массивные гравитоны образуются в результате столкновений обычных частиц в ранней Вселенной. Считалось, что этот процесс слишком редок, чтобы массивные гравитоны могли быть кандидатами в темную материю", - сказал соавтор исследования Джакомо Каччапалья, физик из Лионского университета во Франции. Но в новом исследовании, опубликованном в феврале в журнале Physical Review Letters, Каччапалья вместе с физиками Корейского университета Хайинг Цай и Сын Дж. Ли обнаружили, что в ранней Вселенной было создано достаточное количество этих гравитонов. чтобы объяснить всю темную материю. Исследование показало, что гравитоны, если они существуют, будут иметь массу менее 1 мегаэлектронвольта (МэВ), то есть не более чем в два раза больше массы электрона. Этот уровень массы значительно ниже масштаба, при котором бозон Хиггса генерирует массу обычной материи, что является ключевым моментом для модели, позволяющей объяснить все темное вещество во Вселенной. (Для сравнения, самая легкая известная частица, нейтрино, весит менее 2 электронвольт, а протон весит примерно 940 МэВ)

Команда обнаружила эти гипотетические гравитоны во время поиска свидетельств существования дополнительных измерений, которые, как подозревают некоторые физики, существуют наряду с наблюдаемыми тремя измерениями пространства и четвертым измерением, временем.

Может ли Вселенная иметь больше измерений, чем мы думаем?

Согласно теории, когда гравитация