Газ кротовых нор как модель Темной Материи

Актуальность темы

Существование Темной Материи (ТМ) известно давно [1]. Темная Материя представляет самое таинственное явление нашей Вселенной, которое до сих пор не нашло удовлетворительного объяснения в современной физике. В то время как более чем 90% материи во Вселенной имеет небарионную форму, лабораторные эксперименты не дают какого-либо свидетельства о существовапи такой материи.

Существуют два основных аргумента в пользу темной материи. Во-первых, это кривые вращения галактик. Их форма говорит о том, что большая часть всей массы галактики имеет невидимую форму материи — небарионную форму. Второй аргумент заключается в том, что Вселенная имеет довольно развитую структуру: галактики, кластеры, супер кластеры. А данные микроволнового фона, А Т/Т [2] говорят о том, что на момент рекомбинации флуктуации плотности барпонов были недостаточными для создание развитой структуры.

Кроме некоторых феноменологических свойств Темной материи: во-первых Темная Материя проявляет себя в галактических гало, во-вторых она имеет небарионную природу и на конец она — холодная, ничего более не известно о ее природе. Исходя из того, что Темная Материя должна быть холодной она должна сформировать касп в центрах галактик [3], Pdm ~ l/r в т0 время как из наблюдений видно, что она формирует так называемый «кор» (ядро) рви ~ const [4, 5, 6]. Любые способы разрушить касп в предложенных моделях сводятся к тому, что-либо Темная Материя должна обладать свойством само-взаимодействия, либо темное вещество должно быть немного подогретое. Обе возможности отвергаются на больших масштабах наблюдаемым спектром АТ/Т (смотрите [7]).

Кроме того, между распределением видимой материи и темного вещества существует довольно жесткая корреляция [8]. Все эти факты предлагают использовать в качестве альтернативной гипотезы на роль Темной Материи, возможность интерпретировать наблюдаемые расхождения между видимой и гравитационной массами как нарушение закона тяготения.

Но оказывается, что достаточно трудно получить удовлетворительную модификацшо ОТО, которая бы являлась достаточно гибкой, чтобы согласовать все наблюдательные данные по Темной Материн.

Однако модификация теории не является единственной возможностью для нарушения закона Ньютона. Можно нарушить закон Ньютона рассмотрев топологическую структуру пространства отличную от Я3. Во первых, как было показано в [9], сама топологическая структура проявляет себя непосредственно как топологическое смещение всех физических источников (например смотрите [10]), что эквивалентно присутствию ТМ. Во-вторых, существует веский аргумент в пользу наличия нетривиальной топологической структуры пространства. А именно, как было впервые предложено Уиллером, на Планковских масштабах и в квантовую эпоху топология пространства времени должна подвергнуться квантовым флуктуациям [11, 12] (так называемая пространственно-временная пена). В современной Вселенной такие флуктуации подавлены. Однако, в прошлом, Вселенная прошла через квантовую стадию, когда температура превышала Планковскую и флуктуации были достаточно сильными, чтобы сформировать нетривиальную топологическую структуру пространства. В процессе космологического расширения, Вселенная остыла, квантово — гравитационные процессы остановились, а топологическая структура пространства закалилась. Нет очевидной причины, почему окончательная топология должна быть точно такой как В? — реликты пены квантовой эпохи вполне могли выжить. Таким образом, они могли создать некоторое распределение кротовых нор в пространстве. Не существует никаких убедительных теоретических аргументов, почему такая пепо-подобная структура пространства должна распасться на квантовом этапе эволюции Вселенной. Более того, присутствие значительной порции Темной Энергии в современной Вселенной (и в прошлом на инфляционной стадии [13, 14]) может служить наиболее убедительным признаком нетривиальности топологической структуры пространства.

Напомним, что Темная Энергия нарушает условие энерго-доминантности. Известно, что не существует вещества, которое бы обладало свойством нарушающим данное условие, исключая чисто феноменологические модели. А, как известно, при наличии нетривиальной топологии, эффект поляризации вакуума естественным образом приводит к таким формам материи. Другими словами, единственный строгий способ ввести Темную Энергию, заключается в рассмотрении эффекта поляризации вакуума на многообразии нетривиальной топологической структуры [15].

Отметим, что в прошлом [13] инфляционная стадия чрезвычайно растянула все физические масштабы, и поэтому высока вероятность обнаружить реликтовую пено-подобную структуру пространства на очень больших (астрономически значимых) масштабах. Пепо-подобная структура является, в свою очередь, достаточно гибкой для того, чтобы объяснить все проявления Темной Материи (например смотрите [9, 10]).

Пено-подобпая Вселенная может быть представлена как стандартная модель Фридмана заполненная газом кротовых нор [10]. Однако, не ясно, достаточно ли только присутствия такого газа для получения явления ТМ. В диссертации, мы рассмотрим простейшую точную модель пространственно временной пены, которая представляет собой статический газ кротовых нор вложенных в пространство Минковского, и покажем, как можно явно оценить основные эффекты Темной Материи. Отметим, что простейшие модели пространственно временной пены уже рассматривались в литературе [16]. Однако, в этих работах в основном рассматривались топологические структуры с масштабами, которым соответствуют энергии выше чем 200 Gev вплоть до масштабов порядка Планковских. В то время, как явление Темной Материи предполагает, что характерный масштаб пространственно временной пены и соответственно кротовых нор должен быть галактического масштаба, порядка нескольких Кпс. Поэтому, единственная возможность найти реликтовую пено-подобную структуру пространства — искать ее на очень больших масштабах.

Цели и задачи исследования. Исследование свойств газа кротовых нор, а также моделирование эффектов Темной Материн топологическими дефектами. Исследование возможных новых эффектов, связанных с пено-подобной топологической структурой пространства.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые вычислены поправки к закону Всемирного Тяготения для газа кротовых нор (топологическое смещение точечных источников). Данные поправки можно интерпретировать как наличие гало Темной Материи вокруг каждого точечного источника.

Впервые показана возможность частичной экранировки и анти-экранировки гравитационных зарядов (масс) в зависимости от распределения кротовых нор.

Впервые показано, что однородное распределение кротовых нор приводит к перенормировке интенсивности точечного источника (гравитационного заряда или массы), а неоднородное распределение кротовых нор приводит к зависящему от масштаба распределению скрытой массы.

Впервые показано, что газ кротовых нор приводит к дополнительному затуханию космических лучей, предсказано наличие сильной корреляции между указанным затуханием и количеством темной материи в галактиках.

Научная и практическая значимость. Настоящая работа имеет теоретический характер и может быть использована при исследовании структуры современной Вселенной. Модель газа кротовых нор может служить адекватным описанием эффектов скрытой массы (Темной Материн). Данная модель предлагает возможность решения проблемы нехватки барионов в видимой части Вселенной. В будущем, при условии лабораторного создания кротовых нор, может представлять также практический интерес свойство экранировки и анти-экранировки гравитационного заряда. Основные положения, выносимые па защиту:

1. Модель топологического пространства в виде газа кротовых нор ведет к топологическому смещению точечных источников, что можно интерпретировать как присутствие гало Темной Материи вокруг каждого точечного источника. В общем случае плотность гало может допускать оба знака в зависимости от масштаба и заданных характеристик распределения кротовых нор.

2. Нетривиальная масштабная зависимость гало возникает только благодаря локальной неоднородности пространства. А на масштабах, где газ кротовых нор приобретает однородное распределение, смещение дает перенормировку интенсивности источника.

3. При описании распространения частиц в кинетическое уравнение Больцмана необходимо добавлять дополнительный топологический член, описывающий рассеяние на топологии.

4. Количество и распределение кротовых нор в пространстве определяет с одной стороны затухание космических лучей, а с другой стороны — количество Темной Материн в галактиках, что должно приводить к появлению значительной корреляции между количеством Темного Вещества и затуханием.

Степень обоснования результатов диссертации. Все научные положения и выводы диссертационной работы строго математически обоснованы. Полученные результаты хорошо согласуются с работами других отечественных и зарубежных авторов.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных школах:

XXIV конференция «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», г. Пу-щино, 24−26 апреля 2007 г.- Российская школа — сем пиар по гравитации космологии GRACOS-2007, Казань — Яльчик, 9−16 сентября 2007 г.

Личное участие. Автору принадлежит участие в постановке задачи, получение основных аналитических результатов и оценок.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 1 рисунок. Полный объем диссертации — 73 страниц текста, на.

Выводы.

1. В реальной Вселенной функция смещения b (r, r') является случайной функцией по обоим аргументам и эту функцию можно определить эмпирическим образом.

2. Модель топологического пространства в виде газа кротовых нор ведет к топологическому смещению точечных источников, что можно интерпретировать как присутствие гало Темной Материи вокруг каждого точечного источника. В общем случае плотность гало может допускать оба знака в зависимости от масштаба и заданных характеристик распределения кротовых нор.

3. Нетривиальная масштабная зависимость гало возникает только благодаря локальной неоднородности пространства. А на масштабах, где газ кротовых нор приобретает однородное распределение, смещение дает перенормировку интенсивности источника.

4. В уравнении Больцмана введен дополнительный член, который учитывает рассеивание на топологии.

5. Количество кротовых нор в пространстве определяет затухание космических лучей и количество кротовых нор определяет количество Темной Материи в галактиках, следовательно можно говорить о корреляции между количеством Темного Вещества и затуханием.