Темная материя - это таинственная несветящаяся субстанция, составляющая подавляющее большинство материи во Вселенной. Несмотря на то, что специалисты десятилетиями наблюдали гравитационное воздействие темной материи, ученые по-прежнему озадачены ее истинной природой.
Кто открыл темную материю?
В конце XIX века астрономы начали рассуждать о невидимом материале - либо тусклых звездах, либо газе и пыли, разбросанных по всей Вселенной. Исследователи даже начали оценивать его массу, говорится в обзоре за 2018 год в журнале "Обзоры современной физики". Большинство считало, что это загадочное вещество является незначительной составляющей общей массы в космосе.
Лишь в 1933 году швейцарско-американский астроном Фриц Цвицкий заметил, что далекие галактики вращаются друг вокруг друга намного быстрее, чем это должно быть возможно, учитывая их видимую материю, видимую в телескопах. "Если это подтвердится, то мы получим удивительный результат, что темная материя присутствует в гораздо большем количестве, чем светящаяся", - писал он в статье, опубликованной в том же году в журнале Helvetica Physica Acta.
Но многие в этой области оставались скептически настроенными к результатам Жвицкого вплоть до 1970-х годов, когда астрономы Кент Форд и Вера Рубин провели детальные исследования звезд в окрестностях соседней галактики Андромеда. Эти звезды слишком быстро вращались вокруг галактического ядра, как будто какой-то невидимый материал гравитационно тянет их и толкает - ученые-наблюдатели вскоре заметили это 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 дырочек или других компактных объектов, излучающих слишком мало света, чтобы появиться в телескопах. Результаты стали еще более странными в 1990-х годах, когда космический телескоп под названием Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) показал, что эта темная материя перевешивает обычную видимую материю на пять к одному, по данным НАСА.
Почему темное вещество остается загадкой
Телескопические исследования никогда не могли найти достаточно маленьких компактных объектов, чтобы объяснить это огромное изобилие материала. Большинство современных астрономов считают, что темная материя, скорее всего, состоит из субатомных частиц со свойствами, которые довольно сильно отличаются от более привычных протонов и нейтронов.
Правящий кандидат на темную материю называется Слабо взаимодействующей массивной частицей (Weakly Interacting Massive Particle) или WIMP. Эти спекулятивные сущности не встречаются в Стандартной модели физики частиц, которая описывает почти все частицы и силы. WIMP будет больше похож на призрачное нейтрино, за исключением того, что он будет весить в 10-100 раз больше, чем протон. (Точные массы нейтрино неизвестны, но они намного легче электронов).
Как и нейтрино, WIMP будут взаимодействовать только с двумя из четырех фундаментальных сил во Вселенной: Гравитация и ядерная слабая сила, которая опосредует распад радиоактивных атомных ядер. Эти частицы темной материи будут электрически нейтральными, что означает, что они не будут взаимодействовать с электромагнетизмом, основой света, и поэтому останутся невидимыми.
Физики построили огромные детекторы и поместили их глубоко под землей, чтобы защитить их от вмешательства космических лучей в усилиях по обнаружению WIMP, но до сих пор ни один эксперимент не обнаружил доказательств для них. В последние годы эта неудача заставила некоторых в полевых условиях задуматься, не отправились ли они в дикую погоню за частицами без реального конца.
Поэтому некоторые ученые обращают свое внимание на более нового кандидата в темную материю под названием аксион, который будет миллионной или даже миллиардной массой электрона, сообщает "Proceedings of the National Academy of Science" (Труды Национальной академии наук). Эти гипотетические частицы особенно привлекательны для исследователей, потому что они могут также 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, основанного в Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии, детектора, изначально созданного для пробного захвата WIMP, объявили о том, что они нашли небольшой, но неожиданный сигнал, который можно объяснить наличием аксионов. Результаты потрясли научное сообщество, но еще не подтверждены другими экспериментами.
Реальна ли вообще темная материя?
Это означает, что исследователи до сих пор чешут голову над тем, что такое темная материя. Некоторые теоретики задаются вопросом, существует ли целый темный сектор Вселенной, с множеством частиц и даже темными силами, которые воздействуют только на темную материю, подобно субатомной сложности, наблюдаемой в видимом космосе.
В то же время меньшинство ученых считает, что темная материя - это мираж. Они поддерживают идею, известную как модифицированная версия инерции, или MOND, которая предполагает, что в больших масштабах гравитация действует иначе, чем ожидалось, и это объясняет наблюдаемое вращение звезд и галактик. Но большинство экспертов не убеждено в необходимости такого радикального отхода от известной физики, который также потребовал бы модификации нашего понимания больших частей реальности.
Темная материя - это таинственная несветящаяся субстанция, составляющая подавляющее большинство материи во Вселенной. Несмотря на то, что специалисты десятилетиями наблюдали гравитационное воздействие темной материи, ученые по-прежнему озадачены ее истинной природой.
Кто открыл темную материю?
В конце XIX века астрономы начали рассуждать о невидимом материале - либо тусклых звездах, либо газе и пыли, разбросанных по всей Вселенной. Исследователи даже начали оценивать его массу, говорится в обзоре за 2018 год в журнале "Обзоры современной физики". Большинство считало, что это загадочное вещество является незначительной составляющей общей массы в космосе.
Лишь в 1933 году швейцарско-американский астроном Фриц Цвицкий заметил, что далекие галактики вращаются друг вокруг друга намного быстрее, чем это должно быть возможно, учитывая их видимую материю, видимую в телескопах. "Если это подтвердится, то мы получим удивительный результат, что темная материя присутствует в гораздо большем количестве, чем светящаяся", - писал он в статье, опубликованной в том же году в журнале Helvetica Physica Acta.
Но многие в этой области оставались скептически настроенными к результатам Жвицкого вплоть до 1970-х годов, когда астрономы Кент Форд и Вера Рубин провели детальные исследования звезд в окрестностях соседней галактики Андромеда. Эти звезды слишком быстро вращались вокруг галактического ядра, как будто какой-то невидимый материал гравитационно тянет их и толкает - ученые-наблюдатели вскоре заметили это 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 дырочек или других компактных объектов, излучающих слишком мало света, чтобы появиться в телескопах. Результаты стали еще более странными в 1990-х годах, когда космический телескоп под названием Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) показал, что эта темная материя перевешивает обычную видимую материю на пять к одному, по данным НАСА.
Почему темное вещество остается загадкой
Телескопические исследования никогда не могли найти достаточно маленьких компактных объектов, чтобы объяснить это огромное изобилие материала. Большинство современных астрономов считают, что темная материя, скорее всего, состоит из субатомных частиц со свойствами, которые довольно сильно отличаются от более привычных протонов и нейтронов.
Правящий кандидат на темную материю называется Слабо взаимодействующей массивной частицей (Weakly Interacting Massive Particle) или WIMP. Эти спекулятивные сущности не встречаются в Стандартной модели физики частиц, которая описывает почти все частицы и силы. WIMP будет больше похож на призрачное нейтрино, за исключением того, что он будет весить в 10-100 раз больше, чем протон. (Точные массы нейтрино неизвестны, но они намного легче электронов).
Как и нейтрино, WIMP будут взаимодействовать только с двумя из четырех фундаментальных сил во Вселенной: Гравитация и ядерная слабая сила, которая опосредует распад радиоактивных атомных ядер. Эти частицы темной материи будут электрически нейтральными, что означает, что они не будут взаимодействовать с электромагнетизмом, основой света, и поэтому останутся невидимыми.
Физики построили огромные детекторы и поместили их глубоко под землей, чтобы защитить их от вмешательства космических лучей в усилиях по обнаружению WIMP, но до сих пор ни один эксперимент не обнаружил доказательств для них. В последние годы эта неудача заставила некоторых в полевых условиях задуматься, не отправились ли они в дикую погоню за частицами без реального конца.
Поэтому некоторые ученые обращают свое внимание на более нового кандидата в темную материю под названием аксион, который будет миллионной или даже миллиардной массой электрона, сообщает "Proceedings of the National Academy of Science" (Труды Национальной академии наук). Эти гипотетические частицы особенно привлекательны для исследователей, потому что они могут также 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, основанного в Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии, детектора, изначально созданного для пробного захвата WIMP, объявили о том, что они нашли небольшой, но неожиданный сигнал, который можно объяснить наличием аксионов. Результаты потрясли научное сообщество, но еще не подтверждены другими экспериментами.
Реальна ли вообще темная материя?
Это означает, что исследователи до сих пор чешут голову над тем, что такое темная материя. Некоторые теоретики задаются вопросом, существует ли целый темный сектор Вселенной, с множеством частиц и даже темными силами, которые воздействуют только на темную материю, подобно субатомной сложности, наблюдаемой в видимом космосе.
В то же время меньшинство ученых считает, что темная материя - это мираж. Они поддерживают идею, известную как модифицированная версия инерции, или MOND, которая предполагает, что в больших масштабах гравитация действует иначе, чем ожидалось, и это объясняет наблюдаемое вращение звезд и галактик. Но большинство экспертов не убеждено в необходимости такого радикального отхода от известной физики, который также потребовал бы модификации нашего понимания больших частей реальности.
