Новая темная материя

Борис Ихлов

Аннотация

Подвергнуты критике версии, что темной материей могут быть черные дыры, а также экспериментальное подтверждение наличия скрытой массы путем измерения скорости вращения галактик..

Указано на неточность методов определения масс во Вселенной.

Предложена формула вычисления числа погасших звезд во Вселенной.

Показано, что на роль темной материи могут претендовать потухшие звезды и межзвездный газ.

Ключевые слова: галактики, вириал, звезды, газ

Введение

Утверждается, что недавно было обнаружено ускоренное расширение Вселенной. Это неверно: по закону Хаббла расширения всегда происходит с ускорением. Что имеется в виду?

Наблюдения сверхновых типа Ia в 1998 году показали, что постоянная Хаббла увеличивается со временем, то есть, происходит увеличение ускорения. Это увеличение можно объяснить, например, наличием космологической постоянной Λ , вносящей вклад Ω Λ в среднюю плотностьΩ . Этот вклад поименовали темной материей [1, 2]. 

Есть экспериментальные доказательства неизменности постоянной Хаббла, но так или иначе в модели Фридмана присутствует отрицательная плотность, которая доминирует. Именно она в модели Глинера расталкивает галактики. Скорее всего, это плотность космологического вакуума. Таким образом, темная материя введена уже моделью Фридмана независимо от наблюдения сверхновых. И, если плотность отрицательна, то и масса вакуума отрицательна.

Экспериментальный материал для гипотезы скрытой массы носит иной характер, ее ввели для объяснения вращения галактик.

Почему масса вещества и темная материя не компенсируются отрицательной темной энергией? Их сумма меньше нуля. 

В [3] объединяют темную материю и темную энергию в жидкость с отрицательной массой. 

Неясно при этом, как может отрицательная масса удерживать вращающиеся галактики в равновесии.

Остается предположить, что темная энергия сосредоточена вблизи обычного вещества, внутри галактик, вблизи обычного вещества и связана с ним. Поэтому ее плотность – внутри галактик – превышает плотность темной материи.

Есть теоретические основания полагать, что масса вещества увеличивается [4, 5], но экспериментальных данных нет. В то же время очевидно, что отрицательная масса вакуума при расширении Вселенной увеличивается. Откуда возникает эта отрицательная масса?

Если в планковской Вселенной полная масса с учетом отрицательной гравитационной энергии была равна нулю [6], то откуда берется превалирующая отрицательная масса?

Кстати, этих условиях, если плотность вещества и темной материи с расширением падает, то постоянная Хаббла должна расти, величина ускорения расширения Вселенной должна увеличиваться.

Вопросов к существующим гипотезам и моделям много, но коснемся лишь одного - возможного варианта темной материи.

Скрытая масса и вращение галактик

В 1937 году Фриц Цвикки в статье «On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae»  сообщил, что при исследовании скоплении Волос Вероники обнаружено, что наблюдаемая масса скопления (полученная по суммарным светимостям галактик и их красному смещению) оказалась значительно ниже массы скопления, рассчитанной исходя из собственных скоростей членов скопления (полученных по дисперсии красного смещения) в соответствии с теоремой о вириале. Суммарная наблюдаемая масса скопления оказалась в 500 раз ниже расчётной, то есть недостаточной, чтобы удерживать составляющие его галактики от разлёта. То есть, для того, чтобы галактики удерживались в равновесии, нужно предположить некую скрытую массу, которая их удержи вала бы. Та же идея была выдвинута в работах Каптейна и Оорта,

Теорема вириала имеет термодинамический характер, поэтому не приложима к галактикам или к скоплениям галактик.

Попытка оценить массу Вселенной с использованием теоремы вириала приводит к тому, что скорости галактик получаются порядка скорости света. 

Однако в других наблюдениях обнаружено, что для многих спиральных галактик скорость звезд v ( r ) остаётся почти постоянной на весьма значительном удалении от центра (20—25 кПс). Что противоречит теоретическому быстрому убыванию скорости от центра галактик к периферии ( v = (GM/r)^-1/2 ~ r^-1/2 ), как в Солнечной системе.

Для объяснения феномена v ( r ) предполагают существования несветящегося вещества на расстоянии, превышающем в десятки раз видимые границы галактик и с массой, на порядок выше совокупной массы наблюдаемого вещества галактики. То есть, не внутри, а вне галактик.

Но галактики не являются подобием Солнечной системы. Связность в галактиках может иметь самый разнообразный характер. 

Например, в твердом теле v ~ r .

У жидкости во вращающемся цилиндре  v ~ R² – r² ,

В звездах вследствие дифференциального вращения угловая скорость вращения меняется с широтой.

Например, угловая скорость вращения поверхности Солнца возрастает от полярных областей к экватору на 20%

Скорости внутри звезд больше, чем на ее поверхности, т.е. картина обратная значению скоростей в твердом теле.

В галактиках v = w r, w = const/r . 

Т.е. угловая скорость вращающейся галактики падает с ростом радиуса, что и характерно для слабо связанных систем.

Месте с тем, есть и другие доказательства существования темной материи, например, распределение масс в сталкивающихся скоплениях галактик. Оно таково, что тёмная и барионная материя чётко разделены.

Темную материю обнаруживают также по флуктуациях реликтового излучения, по крупномасштабному кластерированию Вселенной, по исследованию поведения звезд вблизи черных дыр и т.д.

Очевидно, что есть объекты, прямое наблюдение которых затруднено, как барионной, так и не барионной природы. Если темная материя не барионной природы, ее носителями предполагают вимпы, страпельки, аксионы и пр.

То, что еще не обнаружено в прямом эксперименте, уже делят на теплое и холодное. Если скорость гипотетических частиц околосветовая, то это горячая темная материя.  Холодная – это массивные медленные частицы (вимпы, аксионы) или сгустки вещества.

Есть вероятность, что холодную темную материю составляет космическая пыль [7].

Любопытно, что есть «сверхтемные» галактики, и есть галактики вообще без темной материи, хотя ранее она в них присутствовала.

Погасшие звезды

Массу Вселенной определяют по изучению реликтового излучения, по содержанию изотопов водорода, гелия и лития, с помощью гравитационного линзирования фоновых (расположенных на линии наблюдения за ними) объектов. Линза – это скопление галактик. Эффект линзирования - это искажение изображения фонового объекта, либо его многократные мнимые изображения. Решение обратной задачи, то есть, расчёт гравитационного поля, необходимого для получения таких изображений, позволяет оценить массу линзы.

Принято считать, что темная энергия составляет 68,3 % общей массы Вселенной, темная материя - 26,8 %, и обычное веществ - 4,9 %. То есть, полня масса вселенной – отрицательна. Из этой отрицательной энергии нужно вычесть отрицательную массу гравитационной энергии, раной четверти массы вещества [6]. 

Из закона сохранения в ОТО следует, что кривизна пространства-времени есть эквивалент массы [5], этот эквивалент нужно добавить к общей сумме.

И нет гарантии, что дальнейшие измерения не увеличат массу обычного вещества.

В [6] показано, что масса планковской Вселенной в сумме с массой ее гравитационной энергии равна нулю.

Есть единственная возможность: чтобы полная масса так и оставалась равной нулю, для этого обычное вещество и темная материя должны компенсировать темную энергию. Для этого наблюдаемая масса обычного вещества должна быть больше примерно в 8 раз [5]. 

Для этого нет запретов.

Во вселенной насчитывается 10²² – 10²⁴ звезд, 10¹² галактик.

В небе вокруг Земли за последние 70 лет исчезло 70 звезд.

Сверхмассивные звезды живут сотни млн лет.

Звезды типа Солнца – 9,5 – 10 млрд. лет.  

Первые звезды возникли 180 млн со момента БВ. Черные дыры – через 400 млн лет после БВ.

В Млечном Пути рождается по 3 звезды в год.

В других галактиках - порядка 1000 звезд в год.

В Млечном Пути ежегодно гаснет 1,9 звезд, за 100 лет – 53 шт., т.е. число погасших звезд – того же порядка, что и число родившихся.

Объем вселенной мало изменился за (13,8 – 3,5) млрд. лет, примерно в sqrt ( е )  раз, поэтому порядок числа галактик мог измениться только на единицу. 

Предположим, что число погасших в галактике звезд примерно равно числу родившихся. Тогда число скрытых от наблюдения звезд

n = k • j • T • N • w

где n – число скрытых от визуального наблюдения звезд,

k – доля звезд, чей возраст – сотни миллионов лет, порядка 0,1,

j – для звезд, чье «выключение» достигло Земли, порядка ½ ,

T - возраст Земли, 

N- число галактик,

w - среднее число звезд, потухающих за год в средней галактике, ~ 10² .

Получаем n ~ 10²² .

То есть, число невидимых звезд – того же порядка, что и число видимых звезд. Нужно так же принять во внимание то, что число галактик во Вселенной еще не определено. Но даже если оно увеличится в разы, это слабо отразится на соотношении космологических плотностей, поскольку основная доля обычного вещества Вселенной – это межзвездный газ.

Плотность холодного, около нуля по Кельвину, водорода определяют по поглощению света от квазаров. В их спектрах с высоким красным смещением - множество смещённых линий поглощения водорода Лайман-альфа («лес» линий), образованных множеством облаков водорода, расположенных на разном расстоянии по лучу зрения.

Плотность горячего водорода определяется по УФ и рентгеновскому излучению.

Все эти методы неточны.  Есть данные, что скрытое вещество может быть сосредоточено не вне галактик, а особым образом распределено в гало галактик в виде горячего межгалактического газа с температурой от 1 000 000 до 2 500 000 К [8].

Поэтому вполне возможно, что плотность газа больше современной оценки именно в 8 раз [5]. Межзвездный газ служит своеобразным приводным ремнем, осуществляющим слабую связь между звездами в галактике.

Существовала гипотеза, что часть темной материи – это черные дыры.

Исследования показали, что массивные чёрные дыры, обнаруженные детекторами гравитационных волн LIGO и Virgo, могут составлять не более нескольких процентов тёмной материи (проект OGLE, Оптическое Гравитационное Линзирование, Nature и The Astrophysical Journal Supplement Series).

С момента первого обнаружения гравитационных волн от сливающейся пары чёрных дыр в 2015 году эксперименты LIGO и Virgo зарегистрировали более 90 таких событий.

Если бы темная материя в Млечном Пути состояла только из черных дыр, были бы 258 случаев микролинзирования. Н их оказалось только 13. То есть, что массивные чёрные дыры могут составлять максимум несколько процентов тёмной материи.

Расчёты показывают, что чёрные дыры с массой 10 солнечных могут содержать не более 1,2% тёмной материи, чёрные дыры с массой 100 солнечных — 3,0% тёмной материи и чёрные дыры с массой 1000 солнечных — 11% тёмной материи.

Есть версия, что на ранних этапах эволюции Вселенной могли рождаться массивные первичные черные дыры, составляя некоторую часть всей темной материи. Остальная преобладающая часть темной материи может состоять, например, из элементарных частиц или первичных черных дыр с малыми массами. Эта компонента темной материи могла бы формировать вокруг массивных первичных черных дыр плотные сгущения [9]. 

Первые черные дыры возникли 300-400 млн лет после БВ. Скорее всего, когда они рождаются, то на 100% состоят из обычной барионной материи и на 0% из тёмной материи.

То есть: бессмысленно представлять черные дыры фильтрами, которые пропускают внутрь только 1% – 11% темной материи. Черные дыры поглощают ту темную материю, которая является либо обычным межзвездным газом, либо погасшими звездами.

Заключение

Предположение о большей плотности вещества во Вселенной, которое возмещает темную материю,  почти тривиально, поскольку  мы видим лишь 10-20% барионной массы.

Есть свидетельство существования темной матери, которое ставит под сомнение гипотезу потухших звезд – это эволюционное доказательство.

Без тёмной материи с момента рекомбинации (z ~ 1300) до сегодняшнего момента (z = 0) флуктуации плотности  вследствие гравитационной неустойчивости Джинса звёзды и галактики не сумели бы образоваться. 

Медленность нарастания флуктуаций плотности барионного вещества (в отсутствие темной материи) объясняют так же расширением Вселенной. 

Однако расширение Вселенной крайне медленное и не может влиять на величину флуктуация плотности. 

Во-вторых, неясно, почему увеличение плотности должно привести к увеличению относительных флуктуаций.

В-третьих, возраст первых звезд и первых галактик – величина слабо определенная. Напр., звезда Мафусаила возникла раньше Вселенной.

Литература

1. Рябов В. А., Царёв В. А., Цховребов А. М. Поиски частиц темной материи. УФН 178 (2008) с. 1129

2. Hossenfelder, Sabine; McGaugh, Stacy S. Is dark matter real? Scientific American. — Springer Nature, 2018. August (vol. 319, no. 2). P. 36—43.

3. Jamie Farnes. A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified ΛCDM framework. Astronomy & Astrophysics 2018. Iss. A&A. V. 620. P. 20.

https://doi.org/10.1051/0004-6361/201832898

4. Ихлов Б.Л. Об увеличении массы Вселенной. Материалы XVIII Международной конференции «ФИНСЛЕРОВЫ ОБОБЩЕНИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ». РУДН. 25 – 26 ноября 2022 года. С.114-122.

5. Ихлов Б. Л. Еще о массе Вселенной

https://zmclub.ru/blog/boris-ikhlov/1691-eshche-o-masse-veselennoj

6. Ихлов Б. Л. Ненулевая масса Вселенной

https://zmclub.ru/blog/boris-ikhlov/1679-nenulevaya-massa-vselennoj

7. Ихлов Б. Л. Физика межзвездного газа

https://zmclub.ru/blog/1648-fizika-mezhzvezdnogo-gaza

8. J.D. Harrington, Janet Anderson, Peter Edmonds. NASA's Chandra Shows Milky Way is Surrounded by Halo of Hot Gas. Компьютлента

https://web.archive.org/web/20120928061234/http://science.compulenta.ru/709991

9. Ерошенко Ю. Н. Темная материя вкруг первичных черных дыр. 18-я Международная конференция по гравитации, астрофизике и космологии. 25-29 ноября 2024, Казань.