аннигиляция темной материи что такое

Обнаружены признаки аннигиляции темной материи

Новости партнеров

Согласно последним исследованиям астрономического спутника Европейского космического агентства «Планк» Вселенная состоит всего лишь на 4,9% из обычного вещества, остальное – темная материя, которую мы не можем увидеть, но она проявляет себя в гравитационном воздействии на звезды и другие космические объекты.

Понимание природы и сущности этой загадочной субстанции является одной из главных задач современной астрофизики. Некоторые астрономы считают, что темная материя может иметь ещё одно общее с нормальной материей свойство, кроме способности к гравитационному взаимодействию: она может существовать в двух формах – материи и антиматерии – которые аннигилируют и испускают излучение высокой энергии при взаимодействии. Основным классом частиц темной материи считаются так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particles, WIMPS). Если аннигиляция темной материи действительно имеет место в природе, это значительно сужает круг возможных источников происхождения этой таинственной субстанции.

Даг Финкбейнер из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и его коллеги утверждают, что смогли обнаружить следы аннигиляции темной материи. Они изучили пространственное распределение гамма-излучения в Млечном пути, в частности, излучения, исходящего из галактического центра. Эта область является относительно близкой к нам и обладает высокой плотностью обычной и темной материи. Ученые считают, что мощный поток гамма-лучей из этого региона, простирающийся на сотни световых лет, может свидетельствовать об аннигиляции темной материи. Хотя, этому возможны и другие объяснения, например, что гамма-лучи являются результатом большого скопления в этой области быстровращающихся пульсаров.

Ученые пересмотрели множество ранее опубликованных гамма-наблюдений, применяя новые методы обработки данных, и смогли точнее разграничить местоположения выбросов. Оказалось, что пульсары имеют характерное пространственное распределение: в основном они расположены в плоскости галактики. Расчеты указали на то, что аномальное распределение гамма-излучения в галактическом центре Млечного пути с высокой степенью вероятности соответствует предсказаниям модели аннигиляции темной материи, и в малой степени согласуется с пульсарами. В случая подтверждения результатов это станет впечатляющим прорывом в понимании природы темной материи.

Источник

Обнаружена возможная сигнатура аннигиляции темной материи

Мы живем в эпоху великих астрофизических открытий. Прорывные открытия — экзопланеты, гравитационные волны сливающихся черных дыр, расширение Вселенной — появляются каждую неделю или даже чаще. Но нет открытия, которого ждали бы больше, которое могло бы сравниться с другим по глубине и загадочности, чем разоблачение преобладающего большинства материи, которую нельзя увидеть в нашем мире напрямую. Эта материя темная, и ее природа неизвестна.

По последним данным спутника Планка, по меньшей мере 4,9% Вселенной состоит из обычной материи (то есть из материи, которая состоит из атомов или их составляющих). Остальное приходится на темную материю, которую мы можем определить лишь по ее гравитационному влиянию на звезды и другую обычную материю. Темная энергия — отдельный компонент.

Понимание этого вездесущего, но загадочного вещества — главная цель современной астрофизики. Некоторые астрономы полагают, что темная материя может разделять еще одно свойство, помимо гравитационного, с обычной материей: она может быть двух видов, материя и антиматерия, которые аннигилируют и испускают высокоэнергетическое излучение при контакте. Ведущим кандидатом частиц в этой категории являются слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимпы (WIMP). Если темная материя аннигилирует, диапазон вариантов теоретического характера темной материи будет значительно сужен.

Астроном CfA Дуг Финкбейнер и его коллеги утверждают, что выявили именно такую сигнатуру аннигиляции темной материи. Они изучали пространственное распределение гамма-излучения в Млечном Пути, в частности гамма-лучевые выбросы в области галактического центра. Эта область относительно недалека от нас и обладает высокой плотностью материи (и темной материи, конечно). Если произойдет аннигиляция темной материи, эта область должна подсветиться в гамма-лучах. И действительно, была обнаружена мощная гамма-лучевая сигнатура из этой области, которая растянулась на сотни световых лет. Могут быть и другие объяснения: например, гамма-лучи были порождены крупной популяцией быстро вращающихся пульсаров, ядерных останков сверхновых.

Источник

Астрономы не нашли следов аннигиляции темной материи после 413 недель наблюдений

Галактика NGC 4696, которую ученые включили в свой анализ

X-ray: NASA/CXC/MPE/J.Sanders et al.; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA

Американские ученые исследовали гамма-излучение 495 галактик из каталогов T15 и T17, которое телескоп Ферми регистрировал в течение восьми лет. Ученые снова не нашли следов аннигиляции частиц темной материи, но установили ограничение на сечение процесса и проверили результаты предыдущей работы, в которой рассматривались только карликовые сфероидальные галактики. Статья опубликована в Physical Review Letters, одновременно более подробная версия работы вышла в Physical Review D.

Существование темной материи подтверждается множеством данных по гравитационному линзированию и измерению кривых вращения галактик, однако «живьем» ее никто никогда не видел. Ученые пытаются поймать ее с помощью огромных детекторов, которые способны засечь едва уловимое столкновение частиц обычной и темной материи, следят за «невидимыми» распадами частиц, ищут на коллайдерах следы гипотетических темных фотонов — однако до сих пор никаких следов темной материи зарегистрировано не было. Точнее, все эти эксперименты позволили установить очень сильные ограничения на сечения самых разных процессов, предполагающих превращение частиц темной материи в частицы Стандартной модели. Например, ограничение на сечение рассеяния частиц с массами от одного до тысячи гигаэлектронвольт на нуклонах составляет около 10 −45 квадратных сантиметров. Эти неудачи заставляют экспериментаторов все сильнее повышать точность детекторов и разрабатывать альтернативные способы поиска темной материи, а некоторые теоретики пытаются объяснить отсутствие результатов новой силой, которая отталкивает темную материю от Земли.

В частности, некоторые теории предполагают, что частицы темной материи должны аннигилировать и рождать обычные фотоны, которые можно поймать с помощью детекторов. Сами по себе такие процессы могут происходить очень редко, но в галактических гало частиц темной материи должно быть много, и аннигиляция станет заметной. В результате галактики будут излучать в гамма-диапазоне, и этот сигнал можно отделить от излучения, возникающего в других астрофизических процессах, а потом зарегистрировать с помощью современных телескопов.

Группа ученых под руководством Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) использовала этот гипотетический процесс для поиска темной материи. Для этого они рассчитали на основании существующих теоретических моделей поток фотонов, рождающихся при аннигиляции частиц темной материи — в основном он определяется сечением процесса и массой частиц, а также распределением материи внутри гало. Затем исследователи сравнили рассчитанный поток с экспериментальными данными, собранными телескопом Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) за период с августа 2008 по июль 2016 года. В течение всего этого периода телескоп регистрировал гамма-излучение в диапазоне энергий от 502 мегаэлектронвольт до 251 гигаэлектронвольта.

Сначала ученые отобрали около тысячи галактик из каталогов T15 и T17 (красное смещение z ≲ 0,03, масса гало не менее 10 12 масс Солнца), но около половины из них оказались непригодны для дальнейшего анализа. Так, 276 галактик располагались на небольшом расстоянии от галактической плоскости, и надежному распознаванию мешало излучение Млечного Пути. Еще 134 галактики находились слишком близко друг к другу — ученые считали, что сигнал можно приписать определенной галактике только в том случае, если в диапазоне двух градусов от нее нет других массивных объектов. Наконец, исследователи отбросили еще 95 галактик, поскольку сечения, рассчитанные на основании их данных, слишком сильно отклонялись от среднего — более чем на девять порядков для каждого значения массы частиц темной материи. Скорее всего, в этих случаях источником фотонов выступала не аннигиляция темной материи, а другие астрофизические процессы.

В результате исследователи получили ограничение на сечение аннигиляции гипотетических частиц с массами от десяти до десяти тысяч гигаэлектронвольт. Поскольку остаточный поток гамма-излучения оказался небольшим, ограничение получилось очень сильным. Так, сечение аннигиляции частиц с массой около ста гиагаэлектронвольт не превышает 10 −25 сантиметров кубических на секунду.

Зависимость наибольшего возможного сечения аннигиляции частиц темной материи от их массы (слева). Серым показан результат предыдущей статьи, рассматривавшей карликовые сфероидальные галактики. Уточнение величины предельного сечения при включении в рассмотрение все большего массива данных (справа).

Источник

Ликбез RnD.CNews: что вам нужно знать о темной материи

«Темная» — это невидимая, неизвестная, ненаблюдаемая. Именно в этом контексте употребил термин Анри Пуанкаре, который предположительно был первым из ученых, кто его использовал. Это вещество невозможно обнаружить существующими методами — оно не испускает никакого излучения ни в радиоволнах, ни в тепловых, ни в оптическом, ультрафиолетовом или рентгеновском диапазонах.

2. Темная материя действительно существует

Доказательства неопровержимы: слабое гравитационное линзирование, позволяющее увидеть невидимое, демонстрирует, что галактики обладают большей гравитацией, чем может произвести видимая, обычная материя.

Дополнительное вещество в галактиках также необходимо для объяснения того, почему звезды во внешних рукавах галактик так быстро вращаются вокруг их центров.

Кроме того, колебания температуры в космическом микроволновом фоне нельзя объяснить без темной материи, а структуры, образованные галактиками, тоже не возникли бы без нее.

3. Темная материя и темная энергия — это не одно и то же

Есть два понятия — темная материя и темная энергия. То, что физики классифицируют как материю, должно вести себя как материя, из которой мы состоим, по крайней мере, во всем, что касается ее движения в пространстве и времени. То есть темная материя разбавляется, когда она распространяется в больший объем, и вызывает такую же гравитацию, что и обычная.

Поэтому расширение Вселенной нельзя объяснить только гравитацией. Астрофизики уверены, что существует еще и темная энергия, которая тоже стоит за расширением Вселенной и действует на объекты в галактических масштабах. Считается, что темная энергия — это примерно 68% Вселенной, а темная материя — только 27%. Оставшиеся 5% приходятся на обычную материю — звезды и межзвездное вещество.

4. Прямых экспериментальных доказательств существования темной материи пока нет

Несмотря на десятилетия поисков, никто никогда напрямую не обнаружил частицу темной материи, и доказательства ее существования лишь косвенные. Физики ищут частицы, из которых могла бы состоять темная материя, а также пытаются обнаружить астрофизические доказательства ее существования — сигналы от взаимной аннигиляции ее частиц.

Самый мощный в мире ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер — должен вновь заработать в этом году после реконструкции, но на увеличенной скорости. Задача ученых — создать темную материю, разгоняя и сталкивая протоны. В установках LUX и XENON1T частицы-кандидаты в темную материю пытаются обнаружить в ксеноне, сверхтекучем гелии и даже в резервуаре с замороженной водой.

В эксперименте ABRACADABRA ученые MIT искали магнитный отпечаток аксионов, но безуспешно. Другие попытки найти темную материю тоже не увенчались успехом, но зато в процессе были сделаны другие открытия: так, огромный детектор нейтрино IceCube доказал реальность астрофизических нейтрино, а в установке PAMELA был обнаружен избыток позитронов. Но убедительно связать что-либо с темной материей пока невозможно. С другой стороны, это тоже хорошая новость — с отсутствием результатов сужается круг поиска.

5. Есть несколько претендентов на роль темной материи

У астрофизиков множество идей на счет того, что может быть темной материей, и этот вопрос постоянно изучается. До недавнего времени наиболее популярным кандидатом была некая гипотетическая слабо взаимодействующая частица — вимп. Но недавнее исследование уже исключает вимпы из этой роли.

Еще один кандидат на эту роль — аксион, тоже гипотетическая очень легкая частица, которая оставляет после себя конденсат, заполняющий Вселенную.

Есть и другие типы частиц-кандидатов, которые имеют более сложные взаимодействия или большую массу, такие как Вимпзилла и пр.

6. Уже известно, что не может являться темной материей

При этом физики считают, что темная материя не может быть образована тусклыми коричневыми карликами или черными дырами. Основная причина заключается в том, что мы знаем общую массу, которую темная материя приносит в нашу галактику, и она примерно в 10 раз больше, чем видимая материя. Если бы такое количество массы образовалось из черных дыр, мы бы постоянно наблюдали явления гравитационного линзирования, но этого не происходит.

А, например, нейтрино, хотя и слабо взаимодействуют, не могут образовывать темную материю, потому что слишком легкие и не способны слипаться достаточно сильно, чтобы заполнить галактики.

7. Открытие темной материи не поможет разрешить все загадки Вселенной

Возможно, мы находимся на пороге разгадки того, что такое темная материя. Но может быть и наоборот — у ученых просто нет возможности узнать, способны ли эксперименты, которые сейчас проводятся, гарантированно раскрыть природу темной материи. И даже если получится идентифицировать это вещество, мы все еще не сможем ответить на вопрос, как работает Вселенная. Для этого понадобится решать более сложную загадку — найти темную энергию, над поиском которой астрофизикам придется еще больше поломать голову, чем над темной материей.

Источник

Аннигиляция темной материи что такое

Фред Адамс, Грег Лафлин

ПЯТЬ ВОЗРАСТОВ ВСЕЛЕННОЙ:

В глубинах физики вечности

Долгосрочная судьба Вселенной, в которой мы живем, всегда волновала наше воображение. Будучи астрофизиками, мы привыкли размышлять о возникновении и судьбе различных астрономических объектов: звезд, галактик, да и Вселенной в целом. На протяжении двадцатого века, и особенно за два последних десятилетия, физика, астрономия и космология сделали огромный скачок вперед, так что теперь мы понимаем нашу Вселенную так хорошо, как никогда ранее.

Космология занимается, главным образом, предысторией Вселенной, и это справедливо. Теория Большого взрыва вкупе с ее вариациями образует весьма успешную парадигму для описания зарождения Вселенной, а последние результаты астрономических наблюдений подводят под нее прочную научную основу. Законченность нашему детальному пониманию современной Вселенной придали параллельные достижения ученых в области звездной эволюции, образования звезд и галактик. А в последние годы «реестр» нашей Вселенной расширился благодаря открытию черных дыр, коричневых карликов и планет, вращающихся по орбитам других звезд.

И вот, располагая всей этой информацией, в конце 1995 года мы начали подробное научное исследование будущего Вселенной, включая звезды, галактики и прочие астрофизические объекты, живущие в ней. К этому исследованию нас подтолкнуло несколько событий, произошедших практически одновременно. Мы почувствовали, что пора вновь вернуться к этому вопросу. Несмотря на последние успехи в отношении истории Вселенной, ее будущему всегда уделялось достаточно мало внимания. Крупные статьи Мартина Риса, Джамала Ислама и Фримена Дайсона были опубликованы еще в шестидесятых-семидесятых годах двадцатого века, а в начале восьмидесятых годов увидели свет несколько работ, в которых описывались последствия распада протона. Однако значительные успехи, которых в последнее время добились физика и астрономия, открыли более обширную перспективу, позволяющую обстоятельно вглядеться в будущее. В прежних исследованиях авторы поднимали вопросы, главным образом, крупномасштабной космологии, уделяя мало внимания звездам и звездным объектам. До сих пор не просчитана долгосрочная эволюция звезд с самой низкой массой, которые живут гораздо дольше современного возраста нашей Вселенной. Воплощению этого проекта в жизнь весьма поспособствовал приезд в Мичиганский университет Лафлина, который решил поработать с Адамсом. С этого момента мы начали всматриваться в темноту вместе. Дополнительным стимулом послужил организованный Мичиганским университетом «тематический семестр» по вопросу «Смерть, вымирание и будущее человечества». По этому случаю Адамс написал новый курс о долгосрочном будущем Вселенной. Относительная скудность справочного материала стала еще одним стимулом к изучению отдаленного будущего нашей Вселенной.

Результаты нашего исходного исследования были опубликованы в виде обзорной статьи в журнале Reviews of Modern Physics в 1997 году с одобрения сэра Мартина Риса, редактора этого журнала и Королевского астронома Англии. По завершении научной рукописи живой интерес к данному вопросу выказали средства массовой информации, а спрос на публичные лекции оказался удивительно высоким. Такой неожиданный интерес общественности заставил нас подумать о популярном изложении данной темы, результатом которого и стала эта книга.

Наша книга отличается от многих ей подобных тем, что она знакомит читателя с достаточно большим количеством нового научного материала. В процессе написания этой рукописи мы часто сталкивались с ранее неизученными научными проблемами. Например, что будет, если маленький красный карлик войдет в нашу Солнечную систему и нарушит орбиты планет? Может ли такая звезда захватить Землю? Какова вероятность того, что это произойдет прежде, чем умрет наше Солнце? Чтобы ответить на эти и другие вопросы такого рода, мы просто по мере необходимости выполняли требующиеся вычисления. Поэтому наша книга содержит результаты новых, ранее неопубликованных, вычислений и прочие научные соображения. Таким образом, на сегодняшний день это самая полная и подробная трактовка будущего.

Любое описание будущей Вселенной непременно содержит спекулятивные элементы. В рамках данной книги мы отталкиваемся от современного понимания законов физики и астрофизики и производим экстраполяцию вперед, пытаясь представить Вселенную будущего. Однако по мере продвижения во мрак, которым покрыто наше будущее, наша экстраполяция утрачивает фокус. На этом пути мы обязаны учесть такие эффекты физических и астрономических процессов, которые еще только изучаются. В частности, большая часть этой книги описывает будущую космологию вечно расширяющейся Вселенной: о том, что Вселенная расширяется, свидетельствуют современные результаты астрономических наблюдений. И все же для полноты изложения мы включили краткое обсуждение Вселенной, переживающей повторное сжатие. Кроме того, мы открыто допускаем, что, рано или поздно, произойдут и распад протона, и испарение черных дыр, открытое Хокингом. Несмотря на то, что оба этих долгосрочных процесса в общих чертах предсказаны физиками-теоретиками, они пока не получили экспериментального подтверждения.

Практически все, что мы обсуждаем в этой книге, основано на одном дополнительном догмате нашей веры. Мы полагаем, что законы физики останутся такими же и не изменятся с течением времени, по крайней мере до завершения временной шкалы нашей летописи. И хотя мы не располагаем абсолютной гарантией справедливости этого допущения, мы не видим и веской причины сомневаться в нем. Многочисленные свидетельства говорят о том, что до сих пор в истории Вселенной физические законы носили замечательно постоянный характер, и на сегодняшний день нет никаких указаний на то, что данная тенденция изменится. К примеру, исследования молодой Вселенной в контексте теории Большого взрыва убедительно доказывают, что законы физики, описывающие природу, достаточно хорошо поняты и оставались неизменными с очень давних времен до настоящего момента. Принимая неизменность физических законов и в будущем, мы подразумеваем сами законы, а не понимание их нами. Более полное понимание физики почти наверняка приведет к изменениям, большим и малым, в представленной здесь картине будущего.

Эта книга рассказывает историю нашей Вселенной от ее сингулярного зарождения в Большом взрыве до разрозненного перехода в отдаленное будущее. Знаками препинания в этом сказании являются звездные взрывы, столкновения и великое множество других астрофизических катастроф. На первый взгляд, бесконечное разрушение Вселенной может показаться унылой или гнетущей перспективой. Однако мы считаем, что постоянно меняющиеся характеристики Вселенной дают нам гораздо большую перспективу — более обширный взгляд на космос и наше место в нем. Мы надеемся, что наши читатели обретут лучшее понимание истории нашей Вселенной: что она содержит, как работает и что с ней может произойти в будущем. Оттолкнувшись от такой расширенной системы отсчета, можно обрести гораздо более полное понимание наших «повседневных» взаимодействий с уютной Вселенной нынешней эпохи.

Источник