Гравитационное линзирование, красный сдвиг и другие нюансы поиска тёмной материи

В нашей Вселенной есть много тайн, которые мы пытаемся разгадать. Одна из них — это природа гравитации, одной из четырех фундаментальных сил природы. Гравитация определяет, как движутся звезды, галактики и вся другая материя в космосе. Но как мы можем быть уверены, что мы правильно понимаем гравитацию? И как мы можем проверить наши теории о гравитации с помощью наблюдений?

Чтобы ответить на эти вопросы, давайте сначала вспомним, что такое гравитация. Самая известная теория гравитации — это общая теория относительности, которую предложил Альберт Эйнштейн в 1915 году. Эта теория говорит, что гравитация — это не сила, а свойство пространства и времени. Пространство и время могут искривляться под действием материи и энергии. Материя и энергия, в свою очередь, движутся по кривым линиям в искривленном пространстве-времени. Эти кривые линии определяются уравнением, которое было известно еще до Эйнштейна: уравнением Эйлера. Это уравнение описывает, как движется точка под действием силы.

Но есть ли у нас достаточно оснований верить в теорию Эйнштейна? Ведь она не объясняет все явления в нашей Вселенной. Например, она не может объяснить, почему Вселенная расширяется все быстрее и быстрее. Или почему мы не можем найти большую часть материи во Вселенной, которая называется темной материей. Может быть, есть другие теории, которые лучше описывают реальность? Например, теории с измененной гравитацией, которые меняют уравнения Эйнштейна. Или теории с новой силой для темной материи, которые меняют уравнение Эйлера.

Как же мы можем выбрать между этими теориями? Какой эксперимент или наблюдение может показать нам, кто прав: Эйнштейн или Эйлер? Один из возможных способов — это изучить эффекты гравитации на свет. Свет — это электромагнитное излучение, которое имеет определенную частоту или цвет. Когда свет проходит рядом с массивным объектом, он подвергается двум эффектам: гравитационному линзированию и гравитационному красному сдвигу.

Гравитационное линзирование — это явление, когда свет изгибается под действием гравитации. Это позволяет нам видеть объекты, которые находятся за другими объектами. Например, мы можем видеть далекие галактики за ближайшими звездами или скоплениями галактик. Гравитационное линзирование зависит от того, как пространство и время искривляются под действием материи.

Гравитационный красный сдвиг — это явление, когда свет меняет свою частоту или цвет под действием гравитации. Это происходит, потому что время течет по-разному в разных гравитационных полях. Чем сильнее гравитация, тем медленнее время. Поэтому свет, который выходит из сильного гравитационного поля, становится более красным, чем свет, который выходит из слабого гравитационного поля. Гравитационный красный сдвиг зависит только от того, как время искривляется под действием материи.

Ученые предложили использовать эти два эффекта для проверки разных теорий гравитации и темной материи. Они рассчитали, как гравитационное линзирование и гравитационный красный сдвиг меняются в зависимости от типа теории, и обнаружили, что разные теории дают разные соотношения между линзированием и красным сдвигом для одного и того же светового луча. Это означает, что если мы измерим эти соотношения для многих световых лучей от разных источников, таких как звезды, квазары или гамма-всплески, мы сможем определить, какая теория лучше согласуется с данными.

Конечно, метод не лишен сложностей и ограничений. Главная проблема — это то, что гравитационный красный сдвиг — это очень слабый эффект, который трудно измерить точно. Кроме того, он может быть замаскирован другими факторами, которые также влияют на частоту света, такими как скорость источника или расширение Вселенной. Поэтому нам нужны очень чувствительные инструменты и точные методы анализа данных, чтобы выделить гравитационный красный сдвиг из других эффектов. Также нужно учитывать другие параметры, которые влияют на гравитационное линзирование и красный сдвиг, такие как плотность и состав Вселенной. Для этого нужны дополнительные наблюдения, например за космическим микроволновым излучением или сверхновыми. И наконец, нужно быть внимательными в выводах, так как разные теории могут давать похожие результаты для линзирования и красного сдвига. Поэтому нужно использовать метод в сочетании с другими, чтобы получить более полное понимание природы гравитации и темной материи.

Какие еще методы могут быть использованы для проверки теорий гравитации и темной материи?

Существуют разные методы для проверки теорий гравитации и темной материи, которые используют разные виды наблюдений и экспериментов. Некоторые из них перечислены ниже:

• Изучение гравитационных волн, которые являются колебаниями пространства-времени, вызванными слиянием массивных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды. Гравитационные волны несут информацию о свойствах гравитации и темной материи на очень высоких энергиях и скоростях.
• Изучение космического микроволнового излучения (КМИ), которое является реликтом Большого взрыва. КМИ содержит следы первичных плотностных флуктуаций, которые породили структуры во Вселенной. Анализ КМИ позволяет определить параметры Вселенной, такие как плотность темной материи и темной энергии, а также проверить возможные отклонения от стандартной модели космологии.
• Изучение космологических структур, таких как галактики, скопления галактик и большие масштабы распределения материи. Эти структуры формируются под действием гравитации и темной материи и отражают их свойства. Наблюдая за эволюцией и распределением космологических структур, мы можем проверить разные модели гравитации и темной материи.
• Изучение аномалий в движении звезд, планет и других объектов в нашей Солнечной системе и ближайшем окружении. Эти аномалии могут быть свидетельством наличия темной материи или измененной гравитации на малых расстояниях. Например, наблюдается небольшое расхождение между предсказанным и измеренным положением перигелия Меркурия.

Какие теории измененной гравитации существуют?

Существует много теорий измененной гравитации, которые пытаются объяснить некоторые наблюдаемые явления во Вселенной, которые не согласуются с общей теорией относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Эти теории могут быть классифицированы по разным критериям, таким как количество и тип полей, которые они вводят, или способ, которым они модифицируют уравнения Эйнштейна. Некоторые из наиболее известных и изученных теорий измененной гравитации это:

• Скалярно-тензорные теории, которые добавляют к ОТО дополнительное скалярное поле, которое взаимодействует с тензорным полем метрики. Примеры таких теорий это Бранса-Дикке, и скалярно-тензорная векторная гравитация (STVG).
• Биметрические теории, которые вводят две метрики, описывающие два разных сектора материи: видимый и темный. Эти метрики связаны между собой некоторым потенциалом или взаимодействием. Примеры таких теорий это бигравитация и массивная гравитация.
• Квазилинейные теории, которые сохраняют линейность уравнений Эйнштейна относительно метрики, но меняют их структуру или связь с источником. Примеры таких теорий это Палатини и Эйнштейн-Этер.
• Теории типа Калуцы-Клейна, которые расширяют ОТО до более высоких размерностей пространства-времени. Эти дополнительные размерности могут быть компактифицированы или скрыты от нас. Примеры таких теорий это ADD, RS и бранная гравитация.

Какие теории существуют для объяснения темной материи?

Темная материя — это одна из самых загадочных и необъяснимых субстанций во Вселенной. Она не излучает и не поглощает свет, поэтому мы не можем ее наблюдать прямо. Однако мы можем заметить ее гравитационное влияние на видимую материю, такую как звезды и галактики. По оценкам, темная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной, но ее природа до сих пор остается неизвестной.

Существует много теорий, которые пытаются объяснить, что такое темная материя и из чего она состоит. Они можно разделить на две основные группы: барионные и небарионные.

Барионные теории предполагают, что темная материя состоит из обычных атомов или их частиц, таких как протоны и нейтроны. Однако эти частицы должны быть очень слабо взаимодействующими или очень холодными, чтобы не излучать свет. Примеры барионной темной материи могут быть первичные чёрные дыры, максимоны или МАХО (массивные астрономические гало-объекты).

Небарионные теории предполагают, что темная материя состоит из новых видов элементарных частиц, которые не входят в стандартную модель физики частиц. Эти частицы должны быть очень массивными и слабо взаимодействующими, чтобы не быть обнаруженными в ускорителях или детекторах. Примеры небарионной темной материи могут быть нейтрино, аксионы или ВИМПы (слабо взаимодействующие массивные частицы).

Каждая из этих теорий имеет свои достоинства и недостатки, а также разные способы проверки экспериментально. Некоторые из них могут быть совместимы друг с другом или с другими гипотезами о природе Вселенной, такими как темная энергия или измененная гравитация. Пока что нет окончательного ответа на вопрос, что такое темная материя, но ученые продолжают искать его с помощью разных методов и инструментов.

Что такое ВИМПы и как они связаны с темной материей?

ВИМПы — это аббревиатура от английского Weakly Interacting Massive Particles, что означает слабо взаимодействующие массивные частицы. Это гипотетические частицы, которые могут составлять большую часть темной материи во Вселенной.

Предполагается, что ВИМПы имеют большую массу (от нескольких до нескольких сот гигаэлектронвольт) и слабо взаимодействуют с другими частицами, кроме гравитации. Это означает, что они очень трудно обнаружимы экспериментально. Однако существуют разные способы попытаться найти ВИМПы или их следы. Например, можно использовать специальные детекторы, которые пытаются зарегистрировать редкие столкновения ВИМПов с атомными ядрами. Это называется прямым детектированием. Также можно искать продукты распада или аннигиляции ВИМПов в космосе, такие как гамма-лучи, нейтрино или антипротоны. Это называется непрямым детектированием. Кроме того, можно изучать космологические и астрономические данные, такие как космическое микроволновое излучение, структура распределения галактик или гравитационное линзирование, чтобы получить информацию о свойствах и количестве темной материи.

ВИМПы — один из наиболее популярных и изучаемых кандидатов на роль темной материи, но не единственный. Существуют и другие возможные частицы или объекты, которые могут объяснить наблюдаемые эффекты темной материи. Например, это могут быть аксионы, нейтрино, первичные чёрные дыры или максимоны.