Природа темной материи

Современные космологи считают, что хотя центральные части спиральных галактик состоят в основном из обычных звезд, на их окраинах доминирует темная материя, которую невозможно увидеть непосредственно. Одна из фундаментальных задач – открыть природу доминирующей формы темной материи в этих внешних областях галактик. До 1980‑х гг. предполагалось, что это обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, но находящееся в трудно обнаружимой форме; возможно, это газовые облака или массивные компактные гало‑объекты – MACHO (massive compact halo objects), например белые карлики, нейтронные звезды или даже черные дыры.

Однако недавние исследования образования галактик склонили космологов к убеждению, что значительная часть темной материи должна отличаться от обычного вещества. Возможно, она складывается из огромного числа очень легких частиц, например аксионов или нейтрино. Она может также состоять из более экзотических слабо взаимодействующих массивных частиц WIMP (weakly interacting massive particles), существование которых предсказывают современные теории элементарных частиц, но которые еще никогда не регистрировались экспериментально.

Недостающая масса может быть связана с какими‑то экзотическими для нашего мира видами частиц, например это могут быть WIMP (weakly interacting massive particles – слабо взаимодействующие массивные частицы) иди аксоны (очень легкие элементарные частицы). Но также возможно, что недостающая масса указывает на существование теневого мира и вещества в нем. Быть может, там есть и теневые человеческие существа, озадаченные массой, которая кажется отсутствующей в их мире, но влияет на орбиты теневых звезд вокруг центра теневой галактики (рис. 7.13).

Рис 7.13

Мы не увидим теневой галактики на теневой бране, поскольку свет не проходит через дополнительные измерения. Но тяготение проходит, и потому вращение нашей Галактики должно испытывать воздействие темной материи, увидеть которую мы не можем.

Вместо того чтобы заканчиваться на второй бране, дополнительные измерения могут быть бесконечными, но с сильным седлообразным искривлением (рис. 7.14).

Рис. 7.14

В модели Рандалл – Сандрама есть только одна брана (представленная здесь лишь одним своим измерением). Дополнительные измерения тянутся до бесконечности, но искривлены как седло. Эта кривизна мешает гравитационному полю вещества на бране распространяться далеко в дополнительные измерения.

Лиза Рандалл и Раман Сандрам показали, что этот тип кривизны дает эффект, очень похожий на тот, что обусловливает присутствие второй браны: гравитационное влияние объекта на бране будет ограничено небольшой окрестностью и не распространится до бесконечности в дополнительных измерениях. Как и в модели с теневой браной, на больших расстояниях гравитационное поле будет спадать как раз с той скоростью, которая нужна, чтобы объяснить планетные орбиты и лабораторные измерения, но на коротких расстояниях тяготение будет меняться значительно быстрее.

Однако между моделью Рандалл – Сандрама и моделью теневой браны есть важное различие. Тела, которые движутся под воздействием тяготения, порождают гравитационные волны, колебания кривизны, которые распространяются по пространству‑времени со скоростью света. Подобно световым электромагнитным волнам, гравитационные волны должны нести энергию, это предсказание подтвердилось наблюдениями двойного пульсара PSR1913+16.