Темная материя и темная энергия [дубликат]

Во-первых, темная материя и темная энергия, несмотря на свое название, — это два совершенно разных понятия. На самом деле у нас нет веских причин группировать их вместе, кроме того факта, что оба они представляют вещи, которые мы не понимаем. Таким образом, они не обязательно подкреплены одним и тем же набором доказательств.

---

Почему мы верим, что эти вещи существуют

Как бы то ни было, некоторые из самых убедительных доказательств того и другого исходят от космического микроволнового фона . По сути, все, что есть во Вселенной, будет влиять на колебания температуры и поляризации этого излучения, испущенного через несколько сотен тысяч лет после Большого Взрыва.

Лучшая карта всего неба этого излучения сделана спутником WMAP, и каждые пару лет они выпускают несколько статей с анализом данных. Например, вот статья 2011 года, посвященная космологическим параметрам. По сути, они просто загружают все данные в огромную статистическую программу, чтобы найти наиболее вероятные значения для большого набора параметров, включая количество «нормальной» барионной материи.$\Omega_\mathrm{b}$, количество холодной темной материи$\Omega_\mathrm{c}$, количество темной энергии$\Omega_\Lambda$, а уравнение темной энергии параметра состояния$w$. Можно многое сказать о влиянии этих параметров, но в конечном счете вы просто не можете объяснить реликтовое излучение, не имея темной энергии и темной материи.

---

Альтернативные теории темной материи

Теперь «холодная темная материя» (ХДМ$\Lambda\text{CDM}$модель) означает массивные частицы, взаимодействующие через гравитацию и слабое взаимодействие, но не через электромагнетизм, и которые были нерелятивистскими даже во время рекомбинации, когда было высвобождено реликтовое излучение. Просто старая добрая «темная материя» относится к любой гравитирующей массе, которая не имеет большого количества электромагнитного сигнала. Кривые вращения галактик, на которые вы ссылаетесь, были одними из первых свидетельств темной материи, и действительно, их можно было бы объяснить, если предположить наличие большого количества покоящихся черных дыр, беззвездных планет или пыли, которые мы просто пропустили по той или иной причине. Эти альтернативные теории могли бы также, при достаточном количестве манипуляций, объяснить группу пуль., где гравитационная масса, обнаруженная с помощью карт линзирования, явно не совпадает с барионной массой в горячем внутрикластерном газе, излучающем рентгеновское излучение. Однако обзоры микролинзирования, как правило, исключают первые два, и мы думаем, что хорошо разбираемся в динамике пыли. Требуется что-то более экзотическое. Сообщество, поддерживающее MOND — модифицированную ньютоновскую динамику, — которая постулирует дальние отклонения от закона обратных квадратов в гравитации, уменьшается. Однако пулевое скопление вместе с очень точными данными о Солнечной системе затрудняет реализацию этой теории.

Добавьте к этому очень милое «чудо вимпов» (извините, там нет хорошей вики-страницы), которое наводит на мысль о том, что темная материя является новым типом частиц. «WIMP» означает «слабо взаимодействующая массивная частица», и «чудо» заключается в следующем: если вы предполагаете, что существует вид частиц$\text{X}$единственным заметным взаимодействием которого является аннигиляция со своей античастицей$\overline{\text{X}}$, с поперечным сечением, типичным для слабых взаимодействий, и массой, типичной для частиц, вы можете легко вычислить изобилие этих вещей в современной Вселенной. Они находятся в равновесии с другими видами, когда энергия Вселенной достаточна для создания пар, и они «замерзают», когда Вселенная достаточно остывает. Конечный результат примерно соответствует тому, что мы выводим из других средств.

---

Альтернативные теории темной энергии

Темная энергия немного сложнее. На самом деле нет хорошего объяснения того, «что» это вообще такое — это название больше подходит для описания наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Вы можете подумать, что это космологическая постоянная . В этом случае это ненулевой скаляр$\Lambda$в уравнении Эйнштейна

$$G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = 8\pi T_{\mu\nu},$$ где $g$— метрика, содержащая всю информацию о кривизне пространства-времени, $G$является известной функцией $g$и его первые две производные, и $T$представляет собой тензор энергии-импульса, содержащий всю информацию о материи, энергии и импульсе во Вселенной. Это эквивалентно утверждению, что во Вселенной существует какое-то вещество с уравнением состояния $P = -\rho c^2$( $P$это давление, $\rho$массовая плотность). [Для сравнения, нерелятивистская диффузная материя хорошо аппроксимируется $P = 0$, а релятивистская материя имеет $P = \rho c^2/3$.]

Другие открыты для идеи, что$w = P/(\rho c^2)$не совсем $-1$для этого нового «материала», и поэтому он может быть бесплатным параметром в вашем моделировании. Все улики указывают на$w$в соответствии с$-1$, но неопределенности все еще несколько велики.

Вы можете пойти более экзотическим путем и заметить, что фаза ускоренного расширения, которую сейчас переживает Вселенная, мало чем отличается от инфляции, которая, по мнению многих, происходила в очень ранней Вселенной. Для инфляции предлагается множество теорий, многие из которых являются вариациями теории «существует абстрактное квантовое поле».$\phi$с этими определенными свойствами..." Другие относятся к области струн и бран. Многие из этих теорий можно свести к$w$что меняется со временем.

---

Будущие исследования

Эти области исследования очень живы и здоровы. Темная материя требует от астрофизиков изучения ее роли в крупномасштабной динамике, а от физиков элементарных частиц — попытаться определить ее свойства. Сторона астрофизики включает в себя наблюдателей, которые на данный момент лучше ограничивают доказательства, которые во многом связаны со скоплениями галактик и крупномасштабной структурой, а также теоретиков, чтобы предсказать, как темная материя влияет, например, на формирование галактик, обычно с помощью массовых симуляций. (И эти симуляции, такие как симуляция тысячелетия, часто приводят к крутым фильмам.) Физическая сторона включает в себя эксперименты, чтобы попытаться обнаружить вещество напрямую (их буквально десятки - слишком много, чтобы перечислять - и хотя есть некоторые заявленные обнаружения, ни одно из них не принимается сообществом на самом деле). большой). Это также включает в себя поиск места для таких частиц в расширенной версии Стандартной модели.

Темная энергия умоляет физиков придумать проверяемые модели, которые сочетаются с остальной физикой, но не кажутся отлаженными. Это все еще очень ново, учитывая, что только прошлогодняя Нобелевская премия признала команды, которые предоставили неопровержимые доказательства ее существования на рубеже тысячелетий.

Так что ни в коем случае не стесняйтесь вдохновляться этими проблемами на работу в какой-то области. Предстоит многое сделать. Я бы даже сказал, что перспективы лучше, чем, например, только теория струн, поскольку у нас есть твердые , неопровержимые доказательства того, что в наших знаниях есть зияющие дыры, когда речь идет о темной материи и энергии, и эти дыры находятся именно там, где мы можем легко исследовать их с помощью астрономия.

Альтернативой ΛCDM является конформная гравитация, и arXiv:1208.4972 дает обзор состояния темной материи и темной энергии.

Конформная гравитация постулирует универсальную конформную симметрию. Он сохраняет формальную структуру общей теории относительности, но заменяет действие Эйнштейна-Гильберта действием Вейля, что приводит к другому набору уравнений гравитационного поля.

Эти уравнения согласуются с ньютоновским приближением и решением Шварцшильда, но, подобно модифицированной ньютоновской динамике, объясняют кривые вращения галактик без необходимости введения дополнительного вещества.

Если распространить конформную симметрию на поля стандартной модели, то, по-видимому, можно объединить темную энергию и нарушение симметрии Хиггса, т. е. то и другое можно объяснить в терминах единого скалярного поля с конформной симметрией.