Темная материя - это загадочная несветящаяся субстанция, составляющая подавляющее большинство материи во Вселенной. Хотя эксперты наблюдали гравитационные эффекты темной материи на протяжении десятилетий, ученые по-прежнему озадачены ее истинной природой.
Кто открыл темную материю?
В конце 19 века астрономы начали размышлять о невидимом веществе - либо о тусклых звездах, либо о газе и пыли, разбросанных по всей Вселенной. Согласно обзору, опубликованному в журнале Reviews of Modern Physics за 2018 год, исследователи даже начали оценивать его массу . Большинство считало, что это загадочное вещество было второстепенным компонентом общей массы космоса.
Только в 1933 году швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки заметил, что далекие галактики вращаются намного быстрее, чем должно быть, учитывая их видимую материю, видимую в телескопы. «Если это подтвердится, мы получим удивительный результат: темная материя присутствует в гораздо большем количестве, чем видимая», - написал он в статье, опубликованной в журнале Helvetica Physica Acta в том же году.
Но многие специалисты в этой области скептически относились к результатам Цвикки до 1970-х годов, когда астрономы Кент Форд и Вера Рубин провели подробные исследования звезд во внешних регионах соседней галактики Андромеды . Эти звезды слишком быстро вращались вокруг галактического ядра, как если бы какой-то невидимый материал гравитационно тянул их и толкал их - ученые вскоре заметили это наблюдение в галактиках по всей Вселенной.
Исследователи понятия не имели, из чего состоит эта невидимая масса, а некоторые астрономы предполагали, что темная материя состоит из маленьких черных дыр или других компактных объектов, которые излучают слишком мало света, чтобы их можно было увидеть в телескопы. Результаты стали еще более странными в 1990-х годах, когда космический телескоп под названием Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) показал, что, по данным НАСА , эта темная материя в пять раз превышает обычную видимую .
Почему темная материя остается загадкой?
Обзоры с помощью телескопов никогда не могли найти достаточно маленьких компактных объектов, чтобы объяснить это огромное изобилие материала. Большинство современных астрономов думают, что темная материя, вероятно, состоит из субатомных частиц со свойствами, которые сильно отличаются от более известных протонов и нейтронов.
Правящего кандидата на роль темной материи называют слабовзаимодействующей массивной частицей или WIMP. Эти умозрительные сущности не встречаются в Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает почти все частицы и силы. Вимп будет больше похож на призрачное нейтрино, за исключением того, что он будет весить от 10 до 100 раз больше, чем протон. (Точные массы нейтрино неизвестны, но они намного легче электронов).
Подобно нейтрино, вимпы будут взаимодействовать только с двумя из четырех фундаментальных сил во Вселенной: гравитацией и ядерным слабым взаимодействием , которое опосредует распад радиоактивных ядер атомов. Эти частицы темной материи будут электрически нейтральными, что означает, что они не будут взаимодействовать с электромагнетизмом, основой света, и, следовательно, останутся невидимыми.
Физики построили огромные детекторы и поместили их глубоко под землю, чтобы защитить их от мешающих космических лучей, пытаясь обнаружить вимпов, но до сих пор ни один эксперимент не обнаружил доказательств их существования. В последние годы эта неудача привела к тому, что некоторые специалисты в этой области начали задаваться вопросом, не пустились ли они в безумную погоню за частицами без реального конца.
Поэтому некоторые ученые обращают свое внимание на нового кандидата в темную материю, называемого аксион, масса которого составляет одну миллионную или даже миллиардную массы электрона, сообщает Proceedings of the National Academy of Science . Эти гипотетические частицы особенно привлекательны для исследователей, потому что они также могут решить еще одну выдающуюся проблему в физике, потенциально взаимодействуя с нейтронами, чтобы объяснить, почему они могут чувствовать магнитные поля, но не электрические.
В июне 2020 года участники эксперимента XENON1T, базирующегося в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, детектора, изначально созданного для попытки захвата вимпов, объявили, что они обнаружили небольшой, но неожиданный сигнал, который можно объяснить присутствием аксионов. Результаты шокировали научное сообщество, но еще не подтверждены другими экспериментами.
Темная материя вообще реальна?
Это означает, что исследователи все еще ломают голову над тем, что такое темная материя. Некоторые теоретики задаются вопросом, существует ли во Вселенной целый темный сектор с множеством частиц и даже темными силами, которые влияют только на темную материю, что сродни субатомной сложности, наблюдаемой в видимом космосе.
В то же время меньшинство ученых считает, что темная материя - это мираж. Они присоединяются к идее, известной как модифицированная версия инерции , или MOND, которая предполагает, что в больших масштабах гравитация действует иначе, чем ожидалось, и это объясняет наблюдаемые вращения звезд и галактик. Но большинство экспертов не убеждены в необходимости столь радикального отхода от известной физики, что также потребовало бы изменений в нашем понимании больших частей реальности.
Темная материя, насколько известно, не связана с темной энергией , еще одним загадочным явлением, ответственным за ускорение расширения космоса. Эти двое просто используют слово «темный», которое ученые часто используют вместо слов о вещах, которые они не совсем понимают.