Британский астрофизик Джейми Фарнс предложил космологическую модель, в которой отрицательная масса производится с постоянной скоростью в течение всей эволюции Вселенной. Эта модель противоречит общепринятому взгляду на природу материи, однако она хорошо объясняет большинство эффектов, которые принято списывать на темную материю и темную энергию, — в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Статья опубликована в Astronomy & Astrophysics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В настоящее время большинство космологов считает, что эволюция Вселенной описывается моделью ΛCDM. Согласно этой модели, около 70 процентов массы Вселенной приходится на темную энергию, 25 процентов — на холодную темную материю (то есть материю, частицы которой медленно движутся), и только оставшиеся 5 процентов — на привычную для нас барионную материю. Эти соотношения ученые определили с помощью анализа гармоник в картине реликтового излучения. Подробнее об измерении «состава» Вселенной можно прочитать в статьях Бориса Штерна про спутники WMAP и Planck, которые внесли основной вклад в эту работу.
К сожалению, ученые плохо понимают, что такое темная материя и темная энергия. Ни один из сверхточных экспериментов по поиску частиц темной материи, предсказанных целых рядом теоретических моделей (например, SUSY), так и не получил положительный результат. В настоящее время сечение рассеяния обычных частиц и «темных» частиц с массой от 6 до 200 мегаэлектронвольт ограничено величиной порядка 10−47 квадратных сантиметров, что практически исключает частицы в этом диапазоне масс и заставляет физиков разрабатывать альтернативные теории. Впрочем, темная материя все-таки проявляет себя через гравитационное взаимодействие, модифицируя кривые вращения галактик и картину гравитационного линзирования, а потому ученые не хотят отказываться от этой гипотезы.
С темной энергией все еще хуже. Единственное наблюдение, которое напрямую подтверждает ее существование независимо от анализа реликтового излучения — это ускоренное расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам (косвенно темную энергию подтверждает соотношение химических элементов в наблюдаемой Вселенной). Более того, физики плохо понимают, что представляет собой темная энергия на фундаментальном уровне. Конечно, качественно ее можно описать с помощью космологической постоянной (лямбда-члена) в уравнении Эйнштейна, однако этот способ не дает новых знаний и не позволяет установить, из чего состоит темная энергия. Эйнштейн объяснял такие добавки с помощью частиц с отрицательной массой — в этом подходе уравнения движения становятся симметричными, как уравнения электродинамики, а лямбда-член возникает в качестве постоянной интегрирования, которая не заключает в себе физического смысла.
Материя с отрицательной массой — это материя, которая ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Частица с отрицательной массой отталкивает частицы с положительной и отрицательной массой, тогда как «положительные» частицы притягивают «отрицательные». К сожалению, в рамках модели ΛCDM этот способ описания темной энергии заведомо обречен на провал. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной плотность различных компонент меняется по разным законам: плотность холодной материи падает, а плотность темной энергии остается постоянной. Поэтому отождествить материю с отрицательной массой и темную энергию нельзя.
Тем не менее, астрофизик Джейми Фарнс (Jamie Farnes) утверждает, что ему удалось увязать идею Эйнштейна с данными наблюдений. Для этого он объединил идею отрицательной массы с другой контринтуитивной идеей о непрерывном и однородном производстве массы в объеме Вселенной. Эта мысль тоже далеко не нова, впервые ее предложили еще в 40-х годах прошлого века.
Теоретически, такие процессы действительно могут идти на фоне сильного гравитационного поля (например, за счет эффекта Хокинга). Рассматривая подобные добавки к стандартному тензору энергии-импульса для положительных масс, физик выписал и решил уравнение Фридмана, а затем рассчитал, по какому закону расширяется Вселенная в этой модели. Вклады привычной темной материи и темной энергии ученые не учитывал. В результате оказалось, что известные законы воспроизводятся, если отрицательная масса будет производиться с постоянной скоростью Γ = −3H, где H — это постоянная Хаббла. В этом случае плотность отрицательной массы будет оставаться постоянной во время расширения, и она будет эффективно моделировать космологическую постоянную. При этом скорость расширения и время жизни Вселенной получается такими же, как в модели ΛCDM.
Затем астрофизик рассчитал, как отрицательная масса будет проявляться на более мелких масштабах. Для этого он смоделировал в рамках своей модели взаимодействие большого числа частиц положительной и отрицательной массы. Поскольку все существующие астрофизические пакеты не учитывают такие необычные модификации, Фарнсу пришлось разрабатывать свою собственную программу. Чтобы избежать каких-либо приближений в ходе расчетов, исследователь вычислял координаты и скорости каждой частицы в каждый момент времени — это позволяло повысить надежность предсказаний, хотя требовательность программы к вычислительным ресурсам росла как квадрат числа частиц. В частности, из-за этого ученому пришлось ограничиться моделированием 50 тысяч частиц.
Используя разработанную программу, Фарнс увидел несколько эффектов, которые традиционно приписывают темной материи. Во-первых, он смоделировал эволюцию плотной группы частиц с положительной массой, погруженных в «море» из частиц отрицательной массы. Такая система должна качественно описывать эволюцию галактик на поздних стадиях расширения Вселенной, когда «отрицательные» частицы значительно преобладает над «положительными». В этой задаче ученый выбрал число «положительных» частиц N+ = 5000, число отрицательных N− = 45000. В результате он получил распределение плотности, которое хорошо совпадает с данными наблюдений — плотность частиц медленно растет при приближении к центру галактики и совпадает с профилем Буркерта. Это решает проблему «острого гало» (cuspy halo problem), которая возникает в модели ΛCDM.
Во-вторых, при тех же начальных данных ученый рассчитал кривую вращения галактики и обнаружил, что он тоже хорошо совпадает с данными наблюдений. В то время как в модели с чисто «положительными» частицами материя на краю галактики движется медленнее, чем в центре, в модели с преобладанием «отрицательных» частиц скорость получается примерно постоянной.
В-третьих, Фарнс показал, что в его модели естественным путем возникает нитевидная крупномасштабная структура Вселенной: галактики объединяются в скопления, скопления — в сверхскопления, а сверхскопления — в цепочки и стены. Для этого он рассчитал эволюцию системы, которая содержит одинаковое число «положительных» и «отрицательных» частиц. Из-за ограничений на доступную вычислительную мощность ученый положил число обоих видов частиц N+ = N− = 25000. Как и в предыдущем случае, «отрицательные» частицы окружали частицы обычной материи и формировали гало, однако на этот раз исследователю удалось разглядеть закономерности на более крупных масштабах, которые напоминали структуру наблюдаемой Вселенной.
В-четвертых, астрофизик предположил, что частицы положительной и отрицательной массы будут объединяться в диполи и ускоряться до скорости света (поскольку получившаяся частица не имеет массы). Ранее такая возможность уже рассматривалась, причем физики считали, что она является серьезным аргументом против теорий с отрицательной массой, поскольку ОТО запрещает массивным частицам, из которых состоит диполь, разгоняться до скорости света. Тем не менее, Фарнс подчеркивает, что такой процесс не нарушает никаких фундаментальных законов, но должен приводить к образованию космических частиц с очень высокими энергиями, которые отчасти регистрируются на практике. К сожалению, ему не удалось увидеть этот эффект в симуляциях с 50000 частиц. Тем не менее, ученый надеется, что в более масштабных симуляциях с миллионом частиц такие процессы удастся заметить, а также предполагает, что они позволят подтвердить или опровергнуть новую теорию.
Наконец, ученый проверил, как сильно предложенная модификация модели ΛCDM исказит реально наблюдаемые эффекты — расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам, реликтовый фоне и наблюдения за слияниями скоплений галактик. Во всех этих случаях астрофизик обнаружил, что его гипотеза не противоречит наблюдаемым данным. Впрочем, довольно много вопросов все еще остаются открытыми — в частности, не понятно, как увязать такую гипотезу со Стандартной моделью (может ли механизм Хиггса генерировать отрицательные массы?), как экспериментально зарегистрировать частицы с отрицательной массой и как объяснить противоречия между отталкиванием «отрицательных» частиц и теорией гравитонов. Тем не менее, ученый считает, что все эти проблемы можно решить в рамках новой модели.
Таким образом, модель с постоянным производством отрицательной массы объясняет не только наблюдаемое расширение Вселенной, но и образование ее крупномасштабной структуры, гало темной материи вокруг галактик и кривые вращения — большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию и темную материю. Как ни странно, такая интуитивно неестественная гипотеза, которая противоречит общепринятому взгляду на материю, вполне согласуется с данными наблюдений. Более того, она предлагает объяснить их более простым способом, привлекая меньше сущностей. Как пишет в заключении сам автор, «Хотя это предложение является отступническим и еретическим, [в статье] было предположено, что негативные значения этих параметров в принципе могут объяснить данные космологических наблюдений, которые всегда интерпретировались в рамках разумного предположения о положительности массы».
Иногда физики высказывают довольно необычные идеи, чтобы объяснить наблюдаемые противоречия между теорией и экспериментом. Например, в ноябре прошлого года американский физик-теоретик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) предложил ввести новую силу, которая переносится сверхлегкой скалярной частицей и отталкивает темную материю от Земли. Это предположение хорошо объясняет неудачи всех земных экспериментов по поиску темной материи — если такая сила действительно существует, детекторы в принципе не могли ничего зарегистрировать. К сожалению, проверить это утверждение при текущем уровне развития техники невозможно.
Дмитрий Трунин