Темная энергия как гравитация. Обнаружение с помощью спутников с атомными часов

ванна с ксеноном, расстановки

"В современном понимании расстановок можно сформулировать
универсальный порядок: «Все принадлежат. Всё движется»"

Большая часть материи во вселенной остается загадкой для нас, и мы называем ее темной материей, потому что это самое подходящее название. По нашим данным, темная материя составлена из каких-то новых частиц, которые наука еще не открыла. Эти частицы не имеют никакого контакта с обычной материей и светом, кроме воздействия гравитации.

---

В некоторых теориях о дополнительных измерениях гравитация считается уникальным типом взаимодействия, который может воздействовать на наше пространство из дополнительных измерений. Это предположение помогает объяснить относительную слабость гравитационного взаимодействия по сравнению с тремя другими основными взаимодействиями (электромагнитным, сильным и слабым): гравитация слабее, так как может взаимодействовать с массивной материей в дополнительных измерениях, проникать сквозь барьер, недоступный другим взаимодействиям. Отсюда следует, что эффект тёмной материи может быть логично объяснён взаимодействием видимой материи из наших обычных измерений с массивной материей из других (дополнительных, невидимых) измерений через гравитацию. При этом остальные типы взаимодействий не могут никак ощутить эти измерения и эту материю в них, не могут с ней взаимодействовать. Материя в других измерениях (фактически в параллельной Вселенной) может формироваться в структуры (галактики, скопления галактик, филаменты) похожим на наши измерения способом или формировать свои, экзотические структуры, которые в наших измерениях ощущаются как гравитационное гало вокруг видимых галактик.

----

Мы плохо знаем эту таинственную вещь, поэтому можем пробовать разные теории на ее счет. Одна из них говорит, что темная материя состоит не из одного, а из множества разных частиц, которые заполняют пространство. Еще могут быть новые силы природы, которые действуют только на темную материю, кроме четырех, которые мы знаем.

Разные части темной материи могут сочетаться друг с другом, создавая темные атомы и более сложные вещества и образования. В этих теориях важно, что темная материя может сжиматься очень сильно. Группа ученых изучила, что происходит в этих теориях темных атомов, сделав модель развития галактик.

Они обнаружили, что атомная темная материя может быстро сочетаться, создавая "темный диск" рядом с диском звезд в обычной галактике. Потом темные атомы продолжают сочетаться, создавая аналоги темных звезд и темных черных дыр. Они даже могут быстро попадать в центр галактики, сильно увеличивая там плотность.

----

Тёмная материя может просто являться изначальными (возникшими в момент Большого Взрыва) дефектами пространства и/или топологии квантовых полей, которые могут содержать в себе энергию, тем самым вызывая гравитационные силы. Это предположение может быть исследовано и проверено с помощью орбитальной сети космических зондов (вокруг Земли или в пределах Солнечной системы), оснащённых точными непрерывно синхронизируемыми (с помощью GPS системы) ядерными часами, которые зафиксируют прохождение такого топологического дефекта через данную сеть. Эффект проявится как необъяснимое (обычными релятивистскими причинами) рассогласование хода этих часов, имеющее чёткое начало и, со временем, конец (в зависимости от направления движения и размеров такого топологического дефекта).

Для того, чтобы изучить распределение тёмной материи в скоплениях галактик, необходимо иметь их детальные изображения, которые стали доступны в 1990-х годах. На этих изображениях видно, как гравитационное линзирование искажает или даже разделяет на несколько «копий» изображения галактик, которые находятся за скоплением. По этим искажениям можно определить распределение и количество массы в скоплении, не завися от наблюдений галактик в самом скоплении (их движения).
Этот метод был применён к огромному скоплению галактик Abell 1689, которое содержит 160 000 шаровых скоплений и показывает явные эффекты сильного и слабого гравитационного линзирования. Точный анализ геометрии искажений дал возможность рассчитать общую массу скопления и массу тёмной материи в нём, а затем сравнить результат с массой тёмной материи, полученной другим, независимым динамическим методом (по скорости движения галактик, удалённых от скопления). Аналогичные расчёты были сделаны для более чем десяти скоплений и показали, что соотношение невидимой/видимой материи в целом согласуется с динамическим методом измерения массы тёмной материи этих скоплений.

Расчёт слабого гравитационного линзирования — на снимках видны малые (слабые) искажения далёких галактик, вызванные тем, что между ними и наблюдателем находится массивный объект (или объекты). Этот метод требует большой статистики и тщательной обработки — только тогда он даёт результаты, совпадающие с результатами других методов, что и подтвердило большинство учёных в существовании тёмной материи.

Хорошим примером использования двух последних методов и газодинамического метода является исследование уникального скопления Пули, где, как показал анализ снимков в разных диапазонах, тёмная и барионная материя чётко разделились в результате прямого столкновения двух галактических скоплений. Это уникальное разделение произошло потому, что горячий газ одного скопления, взаимодействуя электромагнитно, столкнулся с горячим газом другого скопления, сильно нагрелся, затормозился и остался в центре нового скопления, а тёмная материя обоих исходных скоплений прошла через друг друга, не испытывая электромагнитного взаимодействия (не нагреваясь, не излучая, не замедляясь) и в итоге распределилась симметрично по обеим сторонам от скопления Пули. Это свидетельство наличия тёмной материи (в отличие от распределения радиальных скоростей в галактиках) не зависит от деталей Ньютоновой механики и гравитации на больших расстояниях (так как столкновение скоплений прямое, без вращения) и поэтому считается лучшим прямым доказательством.
Таким образом, прямые методы подтверждают наличие скрытой массы (в виде тёмной материи или другого вида) в галактических скоплениях.

Основная проблема при поиске частиц тёмной материи состоит в том, что все они электрически нейтральны. Есть два способа поиска: прямой и косвенный.

При прямом поиске исследуются последствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами с помощью земной аппаратуры.

Косвенные методы основываются на попытках обнаружения потоков вторичных частиц, которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.

Эксперимент EDELWEISS нацелен на прямое обнаружение частиц WIMP. В качестве мишени используются полупроводниковые детекторы, охлаждённые до температуры в несколько мК.

Эта теория была разработана ещё в 1960-х годах шведским физиком по имени Ханнес Альфвен (нобелевский лауреат 1970 года за открытия по магнитодинамике) — при этом он опирался на опыт своих исследований околоземной плазмы (полярное сияние) и ранние работы Кристиана Биркеланда. Основой теории является предположение, что электрические силы более существенны на больших расстояниях (масштаб галактики и скопления галактик), чем гравитация. Если предположить, что плазма заполняет всю вселенную и имеет хорошую проводимость, то она могла бы проводить огромные электрические токи (около 10в17 — 10в19 Ампер) на масштабах в десятки мегапарсек. Такие токи создают мощное галактическое магнитное поле, которое в свою очередь формирует структуру как галактик, так и их скоплений (галактических нитей или филаментов). Наличие такого мощного поля легко объясняет формирование галактических рукавов (единого мнения о причине образования галактических рукавов пока нет), распределение скорости вращения галактических дисков от радиуса, устраняет необходимость введения гало из тёмной материи.

Современная астрофизика не обнаруживает таких мощных токов в масштабах десятков мегапарсек, но предположения плазменной космологии об однородности и нитевидно-клеточной структуре Вселенной на больших масшабах (так называемая Крупномасштабная структура Вселенной), которые выдвинули Альфвен и Перрат, неожиданно получили подтверждение наблюдениями в конце 1980-х и в 1990-х годах. Для объяснения нитевидной структуры Вселенной в настоящее время применяется теория образования нитей из-за гравитационной неустойчивости (первоначально почти однородное распределение массы собирается на каустиках и превращается в нити), либо предполагается наличие структуры тёмной материи, по которой формируется структура видимой материи (происхождение такой структуры тёмной материи остаётся неясным).

В настоящее время плазменная космология как теория не пользуется популярностью, так как противоречит развитию Вселенной по пути Большого Взрыва. С другой стороны, если отказаться от теории Большого Взрыва и считать возраст Вселенной гораздо большим, чем 13,5 миллиардов лет, то скрытая масса может быть объяснена такими MACRO объектами как чёрные карлики, которые возникают из остывших за десятки миллиардов лет белых карликов.

Ванна с ксеноном:

В старом золотом руднике, который находится в миле от городка Лид в Южной Дакоте, инженеры и физики из Университета Висконсин-Мэдисон устанавливают камеру с 10 тоннами жидкого ксенона. Они хотят, чтобы в подземной шахте, где нет солнечных частиц и космического излучения, они смогли первыми заметить темную материю.

Эксперимент в золотом руднике Южной Дакоты называют LUX-ZEPLIN или LZ коротко. Это улучшенная версия предыдущего эксперимента Large Underground Xenon (LUX) и проекта темной материи ZEPLIN. Смысл в том, чтобы поймать частицу темной материи, когда она столкнется с атомом ксенона, и вызовет реакцию в камере, которая заставит вылететь ультрафиолетовый свет и электроны. Когда жидкий ксенон засветится, газовый ксенон в камере над ним даст электроны и второй, ярче свет. Физики, которые делают проект, говорят, что это как «колокольчик», который будет звонить, когда его коснется частица темной материи.

Главная часть эксперимента LUX-ZEPLIN готова к закрытию и спуску на глубину почти 1,5 км под землю, где она будет искать темную материю.

Создание десятков тысяч частей, из которых состоит прибор, началось в 2015 году, а сборка прибора началась в декабре 2018 года. Эксперимент должен начаться в середине 2020 года.

Когда детектор окажется под землей, он будет охлажден до -100°C . Так как ксенон - тяжелый элемент, то шанс столкновения атомов ксенона с предполагаемыми частицами темной материи, которые называют WIMPs - слабо взаимодействующими массивными частицами, выше.

Ученые думают, что когда WIMPs столкнутся с атомом ксенона, детекторы увидят два света. А очень чувствительные датчики будут усиливать сигнал даже от одного фотона.