Tanya Ethan: jika dark matter ada di mana-mana, mengapa kita tidak menemukannya di tata surya?

Lingkaran materi gelap yang menggumpal dengan kepadatan yang berbeda dan struktur besar yang menyebar yang diprediksi simulasi. Untuk skala, bagian terang dari galaksi ditampilkan. Karena materi gelap ada di mana-mana, itu juga harus ada di tata surya kita. Jadi mengapa kita belum melihatnya?

Menurut sejumlah besar bukti, sebagian besar alam semesta terdiri dari massa tertentu dari tipe misterius, yang belum pernah kita ukur secara langsung. Proton, neutron, dan elektron - dan secara umum semua materi, terdiri dari partikel yang termasuk dalam Model Standar - yang terdiri dari planet, bintang, dan galaksi di seluruh Alam Semesta, terdiri hanya 15% dari total massa. Sisanya terdiri dari sesuatu yang sama sekali berbeda: materi gelap dingin. Tetapi jika materi gelap ada di mana-mana dan dalam jumlah besar, mengapa kita belum melihat di tata surya? Ini adalah pertanyaan yang diajukan pembaca kami:

Semua bukti keberadaan materi gelap dan energi gelap mengacu pada kosmos yang jauh. Agak mencurigakan bahwa kita tidak melihat bukti keberadaan mereka di sini di tata surya kita. Tidak ada yang pernah melaporkan anomali di orbit planet-planet. Namun, mereka diukur dengan sangat akurat. Jika Semesta 95% gelap, efek seperti itu dapat diukur secara lokal.

Benarkah begitu? Ini adalah salah satu pikiran pertama yang terlintas di benak saya ketika saya pertama kali mengetahui tentang materi gelap (TM) 17 tahun yang lalu. Mari kita mencari tahu dan mencari tahu kebenarannya.



Jaring kosmik materi gelap dan struktur berskala besar terbentuk. Materi normal ada, tetapi hanya 1/6 dari jumlah total materi. 5/6 sisanya adalah materi gelap, dan tidak ada jumlah materi biasa yang bisa menanganinya.

Gagasan utama TM adalah bahwa pada suatu titik di Semesta yang sangat muda, sebelum kemunculan galaksi, bintang, atau bahkan atom netral, ada lautan TM yang hampir sempurna dan halus, didistribusikan ke seluruh ruang. Seiring waktu, gravitasi dan kekuatan lainnya melewati beberapa tahap yang saling berhubungan:

• semua materi, normal dan gelap, tertarik oleh gravitasi,
• daerah dengan kepadatan di atas rata-rata tumbuh, menarik kedua jenis materi,
• radiasi bertabrakan dengan materi normal dan menekannya,
• tetapi dengan TM ini tidak terjadi, setidaknya itu tidak terjadi dengan cara yang persis sama.

Ini menciptakan gambaran yang sangat pasti tentang area dengan kepadatan tinggi dan rendah di alam semesta; sebuah pola yang muncul ketika kita melihat radiasi relik (RI).



Fluktuasi RI sangat kecil dan sangat khas sehingga secara meyakinkan mengindikasikan bahwa Semesta pada awalnya memiliki suhu yang sama di mana-mana, dan juga mengandung materi gelap, materi biasa, dan energi gelap dalam proporsi tertentu.

RI adalah sisa cahaya dari Big Bang: radiasi yang jatuh ke mata kita, telah menempuh jalan dari saat ketika atom netral stabil pertama kali terbentuk di alam semesta. Hari ini kita mengamati foto Semesta selama transisi dari plasma terionisasi ke set atom yang netral secara listrik, ketika tekanan radiasi menjadi kecil. Daerah dingin sesuai dengan daerah dengan kepadatan yang meningkat, karena radiasi harus menghabiskan energi tambahan (lebih dari rata-rata) untuk keluar dari sumur gravitasi ini; hot spot - masing-masing, daerah dengan kepadatan berkurang.



Area dengan kepadatan tinggi, sedang, dan rendah yang ada ketika Semesta baru berusia 380.000 tahun sekarang sesuai dengan bagian RI yang dingin, sedang, dan panas.

Gambar daerah dingin dan panas di semua skala yang dapat kita amati, dan korelasi di antara mereka, memberi tahu kita tentang komposisi Alam Semesta: 68% energi gelap, 27% TM, 5% materi normal. Seiring waktu, area-area dengan kepadatan yang meningkat ini tumbuh menjadi bintang, gugus bintang, galaksi, dan gugus galaksi, dan area dengan kepadatan yang berkurang memberikan masalah mereka pada area dengan kepadatan yang meningkat di sekitarnya. Dan meskipun kita hanya dapat melihat materi normal, karena fakta bahwa ia memancarkan dan berinteraksi dengan cahaya dan jenis radiasi lainnya, HM adalah kekuatan dominan yang bertanggung jawab atas pertumbuhan gravitasi struktur-struktur Semesta.



Sebuah penelitian yang cermat terhadap Semesta menunjukkan bahwa itu terdiri dari materi, dan bukan antimateri, bahwa TM dan energi gelap diperlukan, dan bahwa kita tidak tahu sumber semua misteri ini. Namun, fluktuasi RI, pembentukan dan korelasi antara struktur skala besar, dan pengamatan modern dari titik pelensaan gravitasi ke gambar yang sama.

Karena materi normal berinteraksi dengan dirinya sendiri, keruntuhan gravitasi untuk materi normal dan gelap terjadi dengan cara yang berbeda. Seonggok materi normal, berkumpul di bawah pengaruh gravitasi, mulai menyusut. Kompresi pertama kali melalui dimensi terpendek, tetapi materi normal berinteraksi dan bertabrakan dengan partikel-partikel materi normal lainnya - seperti halnya tangan Anda, meskipun mereka terdiri dari atom-atom yang hampir kosong, mereka akan bertepuk tangan ketika Anda mencoba memegang satu lengan. melalui yang lain. Interaksi ini mengarah pada munculnya cakram materi yang berputar - segala sesuatu mengalir darinya, dari galaksi (spiral) ke tata surya, planet-planet di mana orbitnya bergerak di bidang yang sama. Materi gelap, di sisi lain, tidak bertabrakan dengan dirinya sendiri atau dengan materi normal, itulah sebabnya ia tetap dalam bentuk halo besar dan sangat jarang. Dan meskipun ada lebih banyak materi gelap dari biasanya, kepadatannya, misalnya, di galaksi kita, jauh lebih sedikit di tempat-tempat di mana ada bintang.



Selama revolusi Bumi mengelilingi Matahari, pergerakan kita melalui TM di galaksi kita berubah, oleh karena itu lingkaran cahayanya harus menunjukkan berbagai sifat interaksi

Dan sekarang kita sampai pada masalah utama. Bagaimana TM mempengaruhi tata surya? Sebagian besar yang mungkin Anda bayangkan akan benar satu atau lain cara: partikel TM harus terbang ke mana-mana di ruang angkasa, termasuk seluruh ruang Bima Sakti. Dan ini berarti bahwa TM harus berada di tata surya, di matahari, harus melewati planet kita dan tubuh kita. Pertanyaan besarnya adalah sebagai berikut: dibandingkan dengan massa Matahari, planet-planet, objek-objek lain dari tata surya, apa yang akan menjadi massa TM yang kita minati?



Di tata surya, untuk perkiraan pertama, orbit planet-planet ditentukan oleh matahari. Pada perkiraan kedua, semua massa lainnya (planet, bulan, asteroid, dll.) Memainkan peran besar. Tetapi untuk menambahkan di sini juga TM, Anda perlu sangat meningkatkan akurasi.

Untuk menjawabnya, pertama-tama kita perlu memahami apa yang menentukan orbit objek di dalam tata surya kita. Dengan margin lebar, Matahari akan menjadi massa dominan di Tata Surya. Dengan perkiraan yang sangat akurat, ia menentukan orbit planet-planet. Tetapi untuk Venus, planet Merkurius akan menjadi internal, dan dalam perkiraan pertama, orbit Venus ditentukan oleh massa total Matahari dan Merkurius. Orbit Jupiter ditentukan oleh jumlah massa Matahari dan semua planet internal, serta sabuk asteroid. Untuk objek apa pun secara keseluruhan, orbitnya ditentukan oleh massa total yang terlampir dalam bola imajiner yang berpusat di Matahari dan objek ini di tepi bola.



Dalam Teori Relativitas Umum, dalam kasus distribusi seragam TM (atau massa apa pun) di ruang angkasa, hanya massa yang tertutup di dalam orbitnya yang memengaruhi gerakan suatu objek; massa homogen di luar orbit tidak mempengaruhi apa pun [teorema / perkiraan Birkhoff. perev.]

Jika ada lautan HM menembus semua ruang di mana Anda dan saya berada - seluruh tata surya - maka planet-planet luar harus berinteraksi dengan massa yang sedikit lebih besar daripada yang di dalam. Dan jika ada banyak TM, maka harus ada cara untuk mendeteksinya. Karena kita mengetahui massa Bimasakti, kepadatan relatif materi normal dan gelap, dan kami memiliki simulasi yang menunjukkan bagaimana kepadatan TM seharusnya berperilaku, kami dapat memberikan perkiraan yang sangat baik. Dan setelah melakukan perhitungan seperti itu, ternyata sekitar 10 ¹³ kg HM harus memengaruhi orbit Bumi, dan 10 ¹⁷ kg harus memengaruhi orbit planet seperti Neptunus.

Tetapi angka-angka ini kecil dibandingkan dengan semua massa lainnya! Massa Matahari adalah 2 × 10 ³⁰ kg, massa Bumi adalah 6 × 10 ²⁴ . Massa yang kami sebutkan dalam interval 10 ¹³ - 10 ¹⁷ kg sebanding dengan massa asteroid sederhana. Suatu hari nanti, mungkin, kita akan dapat memahami tata surya dengan tepat sehingga kita dapat mendeteksi perbedaan sekecil itu, tetapi sejauh ini kita telah melampaui kesalahan ini sekitar 100.000 kali .



Galaksi kita terletak di dalam halo TM yang besar dan tersebar, sehingga TM harus mengalir di dalam Tata Surya. Tetapi kepadatannya sangat rendah, sehingga sangat sulit untuk dideteksi secara lokal.

Dengan kata lain, TM harus berada di tata surya, dan mempengaruhi gerakan planet-planet luar tidak seperti pergerakan planet-planet bagian dalam, karena jumlah massa yang terletak di sebuah bola yang berpusat di Matahari dan jari-jari jarak ke planet. Anda mungkin tertarik pada pertanyaan apakah interaksi banyak benda, yaitu, TM, planet dan Matahari, dapat mengarah pada penangkapan kuantitas tambahan TM. Ini adalah masalah yang menarik, dan saya menulis sebuah karya tentang masalah ini sekitar 10 tahun yang lalu. Rekan-rekan saya dan saya menemukan bahwa kepadatan TM dapat meningkat sangat banyak, tetapi hanya jika Anda tidak memperhitungkan massa yang ditangkap, yang sangat mungkin untuk dibuang kembali. Tetapi bahkan dengan peningkatan seperti itu, massa maksimum TM, setelah 4,5 miliar tahun (magenta pada grafik) masih jauh di bawah semua keterbatasan yang diamati.



Jumlah HM galaksi di dalam orbit planet-planet dengan radius yang berbeda dari Tata Surya kita (biru), dan jumlah total HM yang seharusnya ditangkap selama masa kehidupan Tata Surya, tanpa memperhitungkan emisinya kembali, serta batas terbaik yang diambil dari pekerjaan 2013 , sesuai dengan jumlah maksimum TM, yang, pada prinsipnya, dapat bersama kami. Kami belum mencapai kesempatan untuk memeriksa ketersediaannya.

Di tata surya kita, benar-benar ada TM, dan itu seharusnya memiliki dampak nyata pada semua partikel materi lain di sekitarnya. Jika ada interaksi silang antara partikel materi normal dan gelap, maka dalam eksperimen deteksi langsung, harus dimungkinkan untuk mendeteksi secara langsung di Bumi. Dan jika tidak, maka efek gravitasi TM yang melewati tata surya, baik yang ditangkap maupun yang bebas secara gravitasi, akan memengaruhi orbit planet-planet. Tetapi sampai pengukuran kami cukup akurat, efek gravitasi ini tidak akan cukup untuk deteksi langsung. Sejauh ini, kita harus melihat Alam Semesta di luar tata surya untuk mengamati efek TM pada ruang-waktu.