Это первый и самый наивный вопрос, который вы можете задать. Решение намного сложнее, чем вы себе представляете.
Согласно большому количеству свидетельств, подавляющая часть Вселенной состоит из какого-то загадочного типа массы, которую мы никогда не измеряли напрямую. В то время как протоны, нейтроны и электроны - и, если уж на то пошло, вся материя, состоящая из частиц из Стандартной модели физики - , составляют планеты, звезды и галактики, которые мы находим во Вселенной, они составляют только 15% от общего количества Вселенной. масса. Остальное состоит из чего-то совершенно другого: холодной темной материи. Но если эта темная материя повсюду и ее так много, почему мы не видели ее в нашей Солнечной системе? Это вопрос Боба Липпа, который хочет знать:
Все свидетельства существования темной материи и темной энергии, похоже, находятся где-то далеко в космосе. Кажется очень подозрительным, что мы не видим никаких доказательств этого здесь, в нашей Солнечной системе. Никто никогда не сообщал о каких-либо аномалиях на орбитах планет. Тем не менее, все они были измерены очень точно. Если Вселенная на 95% темна, эффекты должны быть локально измеримы.
Так и должно быть? Это была одна из первых мыслей, которые у меня возникли, когда я впервые узнал о темной материи около 17 лет назад. Давайте проведем расследование и узнаем правду.
Большая идея темной материи заключается в том, что в какой-то момент в очень молодой Вселенной, до того, как мы сформировали галактики, звезды или даже нейтральные атомы, существовало почти идеально гладкое море темной материи. на протяжении всего этого. Со временем гравитация и другие силы действуют через ряд взаимосвязанных шагов:
- вся материя, нормальная и темная, гравитационно притягивается,
- растут области с плотностью выше средней, преимущественно притягивая оба типа материи,
- излучение отталкивается от обычной материи, сталкиваясь с ней,
- но не темная материя, по крайней мере, не таким образом.
Это создает очень специфический образец избыточной и недостаточной плотности во Вселенной; закономерность, которая обнаруживается, когда мы смотрим на Космический Микроволновый Фон (CMB).
Реликтовое излучение - это оставшееся свечение Большого взрыва: излучение, которое попадает прямо в наши глаза с момента, когда впервые стабильно формируются нейтральные атомы. То, что мы видим сегодня, - это моментальный снимок Вселенной, когда она переходит от ионизированной плазмы к электрически нейтральному набору атомов: когда отталкивание излучением становится незначительным. Холодные пятна соответствуют областям повышенной плотности, поскольку излучению приходится тратить дополнительную энергию (сверх средней), чтобы выбраться из гравитационного колодца, в котором оно находится; горячие точки также являются областями с пониженной плотностью.
Картина холодных и горячих точек на всех масштабах, которые мы можем наблюдать, а также то, как они соотносятся друг с другом, говорят нам, из чего состоит Вселенная: 68% темной энергии, 27% темной материи, и 5% нормального вещества. Таким образом, со временем эти сверхплотные области вырастут в звезды, звездные скопления, галактики и скопления галактик, в то время как области с пониженной плотностью отдадут свою материю более плотным областям, окружающим их. Хотя мы можем видеть только обычную материю, из-за ее производства и взаимодействия со светом и другими формами излучения, темная материя является доминирующей силой, ответственной за гравитационный рост структуры во Вселенной.
Поскольку нормальная материя также взаимодействует сама с собой, гравитационный коллапс ведет себя иначе для нормальной материи, чем для темной материи. Когда кусок обычной материи притягивается, он начинает разрушаться. Коллапс происходит сначала в кратчайшем измерении, но нормальная материя взаимодействует и сталкивается с другими частицами обычной материи точно так же, как ваши руки, хотя атомы в основном представляют собой пустое пространство, «хлопают» друг о друга, когда вы пытаетесь провести их друг через друга. Это создает диск материи, который затем вращается: это происхождение всего, от дисковых (спиральных) галактик до солнечных систем, планеты которых вращаются в плоскости. Темная материя, с другой стороны, не сталкивается ни с собой, ни с нормальной материей, то есть она остается в очень большом, чрезвычайно рассеянном гало. Несмотря на то, что темной материи больше, чем обычной материи, ее плотность, скажем, в нашей галактике, намного ниже, где находятся такие объекты, как звезды.
Итак, мы подошли к главному вопросу. А как насчет влияния темной материи на Солнечную систему? Огромная часть того, что вы, вероятно, думаете, верно: частицы темной материи должны летать в космосе повсюду, в том числе и по всему Млечному Пути. Это означает, что темная материя должна быть в нашей Солнечной системе, на нашем Солнце, проходящей через нашу планету и даже в наших телах. Большой вопрос, который вам нужно задать, заключается в следующем: по сравнению с массами Солнца, планет и других объектов в нашей Солнечной системе, какова релевантная интересная масса, обусловленная темной материей?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно сначала понять, что определяет орбиты объектов в нашей Солнечной системе. Солнце, безусловно, является доминирующей массой в Солнечной системе. В выдающемся приближении он определяет орбиты планет. Но для Венеры планета Меркурий находится внутри нее; в первом приближении орбита Венеры определяется суммой масс Солнца и Меркурия. Для Юпитера его орбита определяется Солнцем, внутренними скалистыми планетами и поясом астероидов. И вообще для любого вращающегося объекта его орбита определяется общей массой, заключенной в воображаемой сфере с центром на Солнце, с этим объектом на краю сферы.
Если есть море темной материи, которое пронизывает пространство, где мы находимся - через всю Солнечную систему - , внешние планеты должны иметь немного другую (большую) массу, чем внутренние планеты. И если темной материи достаточно, ее можно обнаружить. Поскольку мы знаем массу Млечного Пути, относительные плотности нормальной и темной материи, и у нас есть симуляции, которые говорят нам, как должна вести себя плотность темной материи, мы можем получить очень хорошие оценки. Когда вы проделаете эти расчеты, вы обнаружите, что около 10¹³ кг темной материи должно ощущаться на орбите Земли, в то время как около 10¹⁷ кг ощущается планетой, подобной Нептуну.
Но эти значения ничтожны по сравнению с другими массами последствий! Солнце имеет массу 2 × 10³⁰ кг, а Земля больше похожа на 6 × 10²⁴ кг. Значения, подобные тому, которое мы получили, в диапазоне 10¹³ - 10¹⁷ кг, представляют собой массу одного скромного астероида. Когда-нибудь мы сможем понять Солнечную систему достаточно хорошо, чтобы можно было обнаружить такие крошечные различия, но прямо сейчас мы находимся в 100 000 с лишним раз дальше.
Другими словами, темная материя должна присутствовать в Солнечной системе, и она должна непропорционально влиять на движение внешних планет относительно внутренних, исходя из количества массы, заключенной в сфере с центром на Солнце в радиусе планеты. Основываясь на устройстве Солнечной системы, вы могли бы задаться вопросом, могут ли взаимодействия многих тел между темной материей, планетой и Солнцем привести к тому, что дополнительная темная материя будет захвачена Солнечной системой. Это была забавная задача, и она была темой статьи, которую я написал в соавторстве около 10 лет назад. Мы обнаружили, что плотность темной материи может быть значительно увеличена, но только если не учитывать, что то, что будет захвачено, может быть очень быстро повторно выброшено. Даже при этом максимально возможное значение сегодня, через 4,5 миллиарда лет (фиолетовое), все еще ниже наилучшего наблюдательного ограничения.
В нашей Солнечной системе действительно есть темная материя, и она должна оказывать реальное воздействие на каждую другую частицу материи вокруг нее. Если существует какое-либо поперечное сечение взаимодействия между частицами нормальной материи и частицами темной материи, то эксперименты по прямому обнаружению должны иметь шанс обнаружить его прямо здесь, на Земле. И даже если нет, гравитационные эффекты темной материи, проходящей через Солнечную систему, как гравитационно захваченной, так и гравитационно свободной, должны влиять на орбиты планет. Но пока наши измерения не станут все более и более точными, гравитационного эффекта просто недостаточно, чтобы что-то обнаружить. А пока мы должны смотреть на Вселенную за ее пределами, а не на нашу собственную Солнечную систему, чтобы увидеть влияние темной материи на пространство-время.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!