Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-15-5
Темную материю и темную энергию заменили отрицательной массой

Декабрь 2018

Британский астрофизик Джейми Фарнс предложил космологическую модель, в которой отрицательная масса производится с постоянной скоростью в течение всей эволюции Вселенной. Эта модель противоречит общепринятому взгляду на природу материи, однако она хорошо объясняет большинство эффектов, которые принято списывать на темную материю и темную энергию, — в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Статья опубликована в Astronomy & Astrophysics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Материя с отрицательной массой — это материя, которая ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Частица с отрицательной массой отталкивает частицы с положительной и отрицательной массой, тогда как «положительные» частицы притягивают «отрицательные». К сожалению, в рамках модели ΛCDM этот способ описания темной энергии заведомо обречен на провал. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной плотность различных компонент меняется по разным законам: плотность холодной материи падает, а плотность темной энергии остается постоянной. Поэтому отождествить материю с отрицательной массой и темную энергию нельзя.

Тем не менее, астрофизик Джейми Фарнс (Jamie Farnes) утверждает, что ему удалось увязать идею Эйнштейна с данными наблюдений. Для этого он объединил идею отрицательной массы с другой контринтуитивной идеей о непрерывном и однородном производстве массы в объеме Вселенной. Эта мысль тоже далеко не нова, впервые ее предложили еще в 40-х годах прошлого века. Теоретически, такие процессы действительно могут идти на фоне сильного гравитационного поля (например, за счет эффекта Хокинга).

Затем астрофизик рассчитал, как отрицательная масса будет проявляться на более мелких масштабах. Для этого он смоделировал в рамках своей модели взаимодействие большого числа частиц положительной и отрицательной массы. Фарнс обнаружил несколько эффектов, которые традиционно приписывают темной материи. Во-первых, он смоделировал эволюцию плотной группы частиц с положительной массой, погруженных в «море» из частиц отрицательной массы. Такая система должна качественно описывать эволюцию галактик на поздних стадиях расширения Вселенной. В результате он получил распределение плотности, которое хорошо совпадает с данными наблюдений — плотность частиц медленно растет при приближении к центру галактики и совпадает с профилем Буркерта. Это решает проблему «острого гало» (cuspy halo problem), которая возникает в модели ΛCDM.

Во-вторых, при тех же начальных данных ученый рассчитал кривую вращения галактики и обнаружил, что он тоже хорошо совпадает с данными наблюдений. В то время как в модели с чисто «положительными» частицами материя на краю галактики движется медленнее, чем в центре, в модели с преобладанием «отрицательных» частиц скорость получается примерно постоянной.

В-третьих, Фарнс показал, что в его модели естественным путем возникает нитевидная крупномасштабная структура Вселенной: галактики объединяются в скопления, скопления — в сверхскопления, а сверхскопления — в цепочки и стены.

В-четвертых, астрофизик предположил, что частицы положительной и отрицательной массы будут объединяться в диполи и ускоряться до скорости света (поскольку получившаяся частица не имеет массы). Ранее такая возможность уже рассматривалась, причем физики считали, что она является серьезным аргументом против теорий с отрицательной массой, поскольку ОТО запрещает массивным частицам, из которых состоит диполь, разгоняться до скорости света. Тем не менее, Фарнс подчеркивает, что такой процесс не нарушает никаких фундаментальных законов, но должен приводить к образованию космических частиц с очень высокими энергиями, которые отчасти регистрируются на практике.

Наконец, ученый проверил, как сильно предложенная модификация модели ΛCDM исказит реально наблюдаемые эффекты — расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам, реликтовый фон и наблюдения за слияниями скоплений галактик. Гипотеза не противоречит наблюдаемым данным. Впрочем, довольно много вопросов все еще остаются открытыми — в частности, не понятно, как увязать такую гипотезу со Стандартной моделью (может ли механизм Хиггса генерировать отрицательные массы?), как регистрировать частицы с отрицательной массой и как объяснить противоречия между отталкиванием «отрицательных» частиц и теорией гравитонов.

Модель с постоянным производством отрицательной массы объясняет не только наблюдаемое расширение Вселенной, но и образование ее крупномасштабной структуры, гало темной материи вокруг галактик и кривые вращения — большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию и темную материю. Как ни странно, такая интуитивно неестественная гипотеза вполне согласуется с данными наблюдений. Более того, она предлагает объяснить их более простым способом, привлекая меньше сущностей.

_{nplus1.ru, 5 декабря 2018, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/12/05/negative-creation}

_{Журнал Astronomy & Astrophysics, 2018}

_{Джейми Фарнс (Jamie Farnes)}

_{https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2018/12/aa32898-18/aa32898-18.html}

_{https://arxiv.org/abs/1712.07962}