Существование темной материи необходимо, чтобы объяснить наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной. О самой темной материи пока мало что известно, однако работы по все более тонкому космологическому моделированию позволяют все глубже понять существующие в физике проблемы. Судя по докладу на одном из семинаров ФИАНа,  корни проблемы могут также скрываться в несоответствии начальных условий в моделировании реальному состоянию Вселенной в соответствующий момент времени.

    В рамках стандартной космологической модели ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) доля барионного вещества (с которым мы привычно имеем дело), по разным оценкам, составляет всего 3...5 %. Примерно 25 % приходится на тёмную материю. Остальные 75 % составляет темная энергия.

    В процессе эволюции  вклады разных компонент в полную энергию Вселенной меняются, и на более ранних стадиях её жизни расклад был иным. Тогда доминирующая роль принадлежала тёмной материи, которая и определяла процесс формирования структуры Вселенной, проистекающий из первичных возмущений.

    Признание существования темной материи хорошо объясняет такие факты как, например, специфический вид кривых вращения галактик, дисперсии скоростей галактик в скоплениях, спектр микроволнового реликтового фона, ряд свойств наблюдаемой крупномасштабной структуры в целом и некоторые другие наблюдательные факты. Однако до сих пор не ясно, из чего темная материя состоит. Кроме того её нельзя наблюдать напрямую, так как она проявляет себя в гравитационном взаимодействии, а не в электромагнитном. Тем не менее, тёмную материю можно наблюдать косвенно – по ее динамическому воздействию на звезды и межзвёздный газ (плоские кривые вращения) и даже воздействию на фотоны, летящие от далеких галактик и квазаров (гравитационное линзирование).

    Благодаря относительно простому поведению тёмной материи, моделировать эволюцию ее распределения легче, чем сделать это для барионного вещества, поскольку для моделирования последнего нужно учитывать множество физических факторов.

    Компьютерное космологическое моделирование стремительно развивалось, начиная с 70-х годов, вместе с развитием вычислительных техник. Появление суперкомпьютеров и новых техник параллельного счета позволило совершить прорыв в этой области. Сейчас удаётся моделировать поведение одновременно десятков миллиардов пробных частиц тёмной материи и исследовать структуру Вселенной на разных масштабах: от отдельных галактик и их спутников до структур в областях размером до нескольких гигапарсек.

    Сегодня удаётся с удивительной точностью воспроизвести структуру Вселенной на больших масштабах, однако на малых масштабах возникают известные трудности. Одной из таких проблем является поведение радиального распределения плотности темной материи в гало. Согласно наблюдениям, у галактик с низкой поверхностной яркостью плотность в центре гало остаётся практически постоянной. При моделировании же плотность в центре меняется обратно пропорционально радиусу. Такое расхождение плотности темной материи в центре гало называется «каспом», а сама проблема – «проблемой каспов».

    Появление каспов связано с «холодными» частицами, обладающими слишком низкими скоростями и не способными покинуть центральную часть гало. Судя по этому, в реальной Вселенной что-то «подогревает» частицы, придает им дополнительные скорости, которые и позволяют им вылетать из центра гало и тем самым разрушать касп. Возникает вопрос, связана ли эта проблема с непониманием самого процесса эволюции Вселенной, или же просто компьютерное моделирование не достаточно совершенно. Эту проблему можно решить, сделав некоторые экзотические предположения относительно физических свойств частиц тёмной материи, что, однако, по сути, является отступлением от стандартной космологической модели. Об одном из таких предположений уже рассказывалось в материале ФИАН-Информ «Сколько «ароматов» у темной материи?». Однако, некоторые исследователи считают, что данную проблему всё-таки можно решить в рамках ΛCDM модели, т.к. сама проблема является всего лишь следствием ограниченности численного разрешения. А именно, в космологическом моделировании исследователи имеют дело с модельными возмущениями плотности, спектр которых со стороны больших масштабов ограничен размерами расчётного куба, а со стороны малых масштабов - начальным расстоянием между пробными частицами темной материи.

    В работе сотрудников АКЦ ФИАН А.Г. Дорошкевича, В.Н. Лукаша и Е.В. Михеевой, опубликованной в прошлом году в журнале «Успехи физических наук» (182, 3, 2012), обсуждается энтропийная теория формирования гало, в которой в качестве фактора, «разогревающего» частицы, рассматриваются мелкомасштабные флуктуации плотности, которые не могут быть учтены в моделировании.

    «Мелкомасштабные флуктуации вносят вклад в начальную энтропию частиц, которая в результате эволюции гало перераспределяется так, что увеличивающиеся скорости частиц темной материи «размывают» касп» – поясняет старший научный сотрудник АКЦ ФИАН, к.ф-м.н., С.В. Пилипенко, проверивший этот эффект на модельных задачах коллапса трех волн.

    Кроме начальной энтропии частиц, важным фактором в моделировании является момент вращения гало и отдельных пробных частиц. Если частицы в центральной области гало обладают достаточно большим моментом вращения, то они не могут проникнуть в центр гало и сформировать касп. Если угловой момент учитывать не полностью, то это может привести к формированию каспа при моделировании. Некоторую долю момента вращения частицы получают уже в начальных условиях, благодаря асимметрии их пространственного положения и начальных скоростей. Кроме того, угловой момент перераспределяется в процессе эволюции положения частиц и формирования крупномасштабной структуры. В ходе этого процесса происходят слияния небольших гало в большие, вследствие чего относительный орбитальный момент исходных гало переходит в моменты отдельных частиц в образовавшемся гало.

    Для исследования этой проблемы необходимо иметь не только финальное распределение пробных частиц темной материи, но и представлять его эволюцию во времени. В связи с этим возникает необходимость в моделировании крупномасштабной структуры Вселенной. «Двигая» некоторые параметры модели, можно лучше понять физику процессов, управляющих формированием структуры Вселенной и найти причину формирования каспов.

Текст подготовлен по докладу В.Семёнова «О связи начальных космологических условий с внутренней структурой гало тёмной материи».

В. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»

19.03.2013

    Исследователь из итальянского Национального института астрофизики Джанфранко Брунетти выступил на Гинзбурговской конференции, прошедшей в ФИАНе летом 2012 года, с докладом «Нетепловое излучение, космические лучи и турбулентность в галактических кластерах». В интервью «ФИАН-информ» учёный прокомментировал доклад и поделился своим виденьем актуальным проблем астрофизики.

    – Расскажите, пожалуйста, о работе, которую Вы представили в Москве.

    – Моя работа посвящена галактическим кластерам. Это крупнейшие из известных на сегодняшний день структур во Вселенной. Каждое такое образование включает от 30 до 300 галактик и состоит на 10 % из звёзд этих галактик, на 15...20 % – из диффундирующего газа и на 70 % – из тёмной материи. Я изучаю процессы, протекающие в кластерах, в частности, во время их формирования. Элементы этих огромных структур сталкиваются на сверхзвуковых скоростях, и это приводит к выделению очень большого количества энергии. Часть её может быть преобразована в ускорение релятивистских частиц (т.е. таких, которые двигаются со скоростью, близкой к скорости света), а они распространяются на огромные расстояния, порядка мегапарсеков. С помощью радиотелескопов можно  понять, как происходит ускорение этих частиц, потому что мы видим распространение синхронного излучения из межкластерной среды.

    Единственное, что «ограничивает» запас энергии протонов в космических лучах – границы радиодиапазона и верхний предел измерений гамма-излучения. Однако и такие ограничения в любом случае важны, потому что дают очень важную информацию об этих компонентах кластеров. Кроме того, одним из важных итогов нашей работы стало то, что верхним пределом диапазона гамма-лучей обусловлены и дополнительные ограничения в вопросе происхождения гигантских радиогало. Вместе с радиоастрономическими наблюдениями они вызывают сомнения в исключительно адронном происхождении этих структур.

    – Каковы перспективы Вашего исследования?

    – На сегодня у нас есть общее представление об эволюции кластеров и мы знаем, что происхождение их компонентов, скорее всего, связано с ударными волнами, которые распространяются при столкновениях, и с некоторыми другими причинами. Принципиально новым за последние годы стало то, что модели предсказывают существование кластеров, которые мы раньше не наблюдали, потому что излучение от них должно быть видно на очень низких радиочастотах. Пока мы измеряем его на частотах порядка нескольких сот мегагерц и больше, а «нужное» нам излучение ожидается на частоте ста мегагерц и ниже. И сейчас существуют такие радиотелескопы, в частности, принципиально новая сеть телескопов, которая охватывает Западную и Северную Европу, –  LOFAR (от LOw FRequency Array – «низкочастотная антенная решётка»). Это самая чувствительная радиообсерватория в мире, работающая на низких частотах, – и очень важный инструмент для проверки этих теорий. Так что мы рассчитываем проверить нашу модель в следующие несколько лет.

    – Какие достижения в современной астрофизике Вы бы выделили?

    – Согласно господствующей сегодня модели, во Вселенной превалирует тёмная материя. У нас есть неплохие идеи насчёт того, что она собой представляет. Однако свидетельства её существования нельзя назвать прямыми: большинство из них получены путём астрофизических наблюдений. При этом изучение динамики галактических кластеров приводит к противоречиям с предполагаемой массой: она вообще-то должна быть намного больше, чем та, которую мы можем получить из определения объёма материи. В общем, мы имеем представление о том, что такое тёмная материя, но нам нужны прямые свидетельства. Частично такие доказательства можно получить астрофизическими средствами – скажем, изучая гамма-лучи, которые возникают благодаря аннигиляции (т.е. превращению частиц и античастиц при их столкновении в другие частицы) тёмной материи. Уже существуют спутники (например, «Ферми» и будущие проекты, связанные с измерением гамма-лучей), которые могут провести подобную проверку. Также есть эксперименты по физике элементарных частиц, направленные на прямое выявление тёмной материи. На мой взгляд, одним из главных шагов в ближайшие годы может быть прогресс в исследовании тёмной материи.

    Из уже реализованных исследований последних лет выделяется, конечно, открытие экзопланет (на сегодняшний день известно о тысячах таких систем). Мы начинаем лучше понимать природу образования планет, околозвёздных дисков. Такие исследования, конечно, связаны и с поиском жизни во Вселенной, хотя, на мой взгляд, это не ключевой пункт (статистически понятно, что жизнь за пределами Земли должна быть – вероятно, даже разумная). Это открытие важно и потому, что в отличие от многих астрофизических достижений, оно просто и понятно даже неспециалистам.

    – Каково Ваше впечатление от Гинзбурговской конференции?

    – На ней собирается много учёных из разнообразных областей физики, идёт активный обмен идеями. Астрофизическая секция охватила множество тем: например, исследователи галактических кластеров общались со специалистами по физике частиц или по изучению плазмы или межзвёздного пространства. Это очень важно, так как иногда бывает, что «зацикливаешься» на своей области, а в то же время идеи, которые появляются за её пределами, нередко важны и в твоей сфере. Такой взаимный обмен очень обогащает.

    – Летом прошлого года был произведён успешный запуск российской космической обсерватории, созданной в ФИАН, – проекта «Радиоастрон». Как бы Вы прокомментировали его значение?

    – Этот проект вызывает большой интерес радиоастрономического сообщества. Я работаю в Институте радиоастрономии Национального института астрофизики, группа наших специалистов в настоящее время сотрудничает с этим проектом; в Италии есть несколько соответствующих антенн. Проект важен не только с технологической точки зрения (он объединяет наблюдения с Земли и из космоса), но и в целом для астрофизики, так как помогает увеличить пространственное разрешение в радиоастрономических наблюдениях. Вообще, радиоастрономия уже является той частью астрофизики, в которой инструменты – благодаря интерферометрии – делают возможным максимальное пространственное разрешение. Так что теперь, в частности благодаря «Радиоастрону», мы можем изучать, что происходит в областях, близких к чёрным дырам.

О. Овчинникова, АНИ "ФИАН-Информ"

05.02.2013

Гипотеза суперсимметрии уже давно требует экспериментального подтверждения. Она может помочь в построении теории великого объединения физических взаимодействий, является важным допущением для суперструн и даже дает ключи к природе темной материи. О деталях исследований, причинах неудач и смелых надеждах на будущее в своей пленарной лекции на Гинзбурговской конференции рассказал Дмитрий Казаков, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ  в Дубне.

    Около 40 лет назад суперсимметрия как экзотический математический аппарат возникла в стенах ФИАН. Как и другие, более привычные виды симметрии, она означает неизменность процессов происходящих в мире элементарных частиц под действием ряда преобразований. Однако, в отличие ото всех других симметрий, в данном случае речь идёт о преобразовании фермионов, частиц с полуцелым спином, в бозоны - частицы с целым спином, и наоборот. Для каждой элементарной частицы, кварка, лептона, векторного бозона или бозона Хиггса, суперсимметрия предполагает существование суперпартнёра: частицы абсолютно идентичной по всем квантовым числам кроме спина, отличающегося на 1/2.

    «То, что мы наблюдаем в мире элементарных частиц, пока хорошо описывается Стандартной моделью. Это подтверждается и экспериментами на ускорителях, и подземными экспериментами. Но, конечно, остаются некоторые глобальные проблемы: квантование гравитации, описание темной материи и темной энергии, барионная асимметрия Вселенной и другие.

    Когда начала создаваться теория суперсимметрии, ученые руководствовались исключительно математической мотивацией, и хотели построить новую алгебру, перемешивающую спины частиц. Но если посмотреть на это дело с физической стороны, отбросив тонкости математического аппарата, то мне кажется, что основная мотивация была в объединении всех видов взаимодействий, в том числе и гравитационного. Сейчас кажется, что без суперсимметрии такое объединение работать не будет.  А поскольку мечта о нем всегда жива, то именно суперсимметрия открывает к нему дорогу» - рассказал Дмитрий Казаков.

    Стандартная модель - это модель физики элементарных частиц, описывающая видимую материю, состоящую из трёх поколений кварков и лептонов, и три вида взаимодействий (слабое, сильное и электромагнитное), осуществляемое посредством обмена калибровочными векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие пока выпадает из этой картины. Его переносчик, гравитон, обладает спином равным двум (против единицы для других бозонов), а в Стандартной модели нет перехода между состояниями с отличающимися спинами. Кроме того, замечено, что силы взаимодействий значительно отличаются при малых энергиях, а при больших имеют тенденцию к сближению. Именно это явление и подтолкнуло ученых к идее создания объединенной теории всех взаимодействий, получившей название Теории Великого Объединения. А помочь в этом может как раз гипотеза суперсимметрии, предполагающая наличие суперпартнеров с различными спинами для всех элементарных частиц. Установлено, что в то время как в Стандартной модели не происходит объединения трёх взаимодействий, в суперсимметричной теории это вполне возможно.

    Столь привлекательная для теоретиков гипотеза, конечно, требует и экспериментального подтверждения, а именно обнаружения этих суперсимметричных частиц-партнеров на ускорителях, чего до настоящего времени не произошло. Дело в том, что время жизни суперсимметричных частиц очень мало, и потому их пытаются идентифицировать по распаду вторичных частиц, вычленить из фона сотен сторонних эффектов и явлений. Для обнаружения суперсимметрии ускоритель должен обеспечивать ранее недостижимые энергию и количество рожденных частиц, а потому поиски суперсимметрии на прежде существующих ускорителях оказались безуспешными, и лишь Большой адронный коллайдер (БАК) дает надежды на проверку гипотезы суперсимметрии.

    При распаде суперсимметричной частицы поэтапно образуются новые частицы все меньшей массы вплоть до легчайшей суперсимметричной частицы. Она стабильна и нейтральна, и потому должна незамеченной вылетать из детектора, нарушая баланс импульса и энергии в системе, частично унося их с собой. В том числе по этим потерям и идентифицируют суперсимметричные частицы.

    «Эксперименты на ускорителях направлены на нахождение свидетельств существования суперсимметричных частиц. Есть надежда, что ускоритель, работающий в Женеве, уже сможет достигнуть достаточных энергий и светимости для рождения суперпартнёров. То есть в ближайшее время можно будет получить подтверждение или же опровержение существования суперсимметрии в области энергий порядка ТэВ. Но это только одна сторона вопроса.

    С другой стороны, суперсимметричные частицы должны проявить себя и в других местах. Например, сейчас говорят о космологии, о темной материи» - пояснил Дмитрий Казаков.

    Легчайшая суперсимметричная частица является одним из претендентов на составляющую темной материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, но проявляется по ее гравитационным эффектам и составляет 80 % от массы все материи во Вселенной. В Стандартной модели не существует стабильных, тяжелых  нейтральных частиц, подходящих на эту роль, а вот суперсимметрия вполне может предложить своего кандидата – легчайшую суперсимметричную частицу:  комбинацию партнеров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса. Эту частицу ищут как на ускорителях, так и в подземных экспериментах, но пока также безуспешно. Уж очень мало сечение её взаимодействия с обычной материей. Так что суперсимметрия готовит еще много загадок и открытий для своих исследователей.

М. Петров, АНИ "ФИАН-Информ"

29.11.2012