Темная материя остается загадкой: из чего она состоит и каковы ее свойства, по-прежнему неизвестно. Рассказываем, какие предположения о сущности темной материи наиболее популярны и как ученые пытаются ее обнаружить.
Темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии
Темная материя называется так потому, что она не излучает и не поглощает свет, то есть не участвует в электромагнитном взаимодействии, в отличие от видимого или барионного вещества. Зато она участвует в гравитационном взаимодействии — об этом говорит сама история открытия темной материи.
- Астроном Фриц Цвикки в 1930-е годы обнаружил, что во Вселенной существует скрытая масса. Наблюдая за крупным скоплением галактик в Волосах Вероники, он заметил странность: скопление выглядело полностью завершенным, там было правильное распределение по скоростям, но ему катастрофически не хватало массы. Он предположил, что, помимо звезд, газа и других видимых компонентов, в этом скоплении галактик есть еще какая-то невидимая материя, но ему не верили и предполагали, что он неправильно подсчитал звездную массу.
- В 1970-е годы темную материю наконец открыли. Группа астрономов наблюдала отдельные галактики и подсчитывала, с какой скоростью объекты обращаются вокруг их центров. Они заметили удивительную вещь: масса возрастает с радиусом, несмотря на то что по краям галактики гораздо меньше объектов, чем в центре. После этого отрицать существование скрытой массы ученые уже не могли.
Она не может состоять из известных науке частиц
Ученые пока не знают, из чего состоит темная материя, однако уверены, что главным ее компонентом не может быть ни одна из известных элементарных частиц.
Самым популярным кандидатом был вимп (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) — гипотетическая частица, вступающая в обычное слабое взаимодействие и обладающая массой. Из вимпов может состоять гало нашей Галактики, которое раз в пять больше, чем видимый размер Галактики, и скорость этих частиц составляет примерно 300 километров в секунду. Ученые пытаются их обнаружить экспериментально, однако это пока не удается.
В ходе долгих безуспешных поисков интервал параметров, при которых частица могла бы существовать, значительно сузился, были опровергнуты многие модели вимпов.
Однако остались еще области параметров, не проверенные экспериментально, поэтому надежда на то, что вимп все же существует, есть. Есть предположения, что темная материя состоит из аксионов, стерильных нейтрино или даже из крошечных черных дыр, образовавшихся на ранних этапах существования Вселенной. Но это может быть нечто неведомое.
Видимого вещества меньше, чем невидимого
По данным измерений космической миссии Planck, Вселенная на 26% состоит из темной материи, а 69% приходится на темную энергию. В среднем темной материи в 5–6 раз больше, чем барионного вещества, но она распределена неравномерно: в некоторых участках ее в 16 раз больше, а в других — только в 2 раза, как в нашей Галактике. Видимая материя является отражением распределения темной материи, так как она притягивается к ней. В рамках Стандартной модели крупномасштабные объекты образуются путем коллапса сгустков темной материи с образованием гало, в которые затем стекается барионное вещество. Сначала образуются объекты малых масс, а более крупные возникают при их слиянии.
Темная материя и темная энергия не одно и то же
Если темная материя — это особая форма вещества, не участвующая в электромагнитном взаимодействии, то темная энергия — это нечто совершенно непонятное. Наличие темной энергии объясняет наблюдаемое расширение Вселенной с ускорением. Гипотезы о том, что такое темная энергия, чрезвычайно разнообразны. Самая популярная: темная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной. Ее называют также энергией вакуума. Загадкой для физиков является ее происхождение и то, почему она столь мала.
69% кажутся очень большой долей во всей энергии Вселенной, но, если перевести космологическую постоянную в единицы, используемые в физике частиц, это будет чрезвычайно маленькая величина.
Темная энергия может быть последствием воздействия другой вселенной на нашу. Наш мир трехмерный, но в мультивселенной может быть больше измерений, и мир большей размерности таким образом гравитационно взаимодействует с нашим. Но это только теории.
Не исключено, что темная энергия может быть полем, которое ускоряет нашу Вселенную и в конце концов разорвет ее на части: нейтроны и протоны распадутся на кварки, а что будет после этого — неизвестно, ведь мы до сих пор не знаем, из чего состоят кварки, если они вообще из чего-то состоят. Возможно, на обломках нашей Вселенной возникнут новые миры. Это может произойти примерно через 30–50 миллиардов лет.
Хотя темную материю не видно, ее возможно наблюдать косвенно
Ученые пытаются обнаружить темную материю косвенными методами.
- Первый способ — наблюдение за взаимодействиями темной материи с обычным веществом. Предполагается, что вимпы довольно тяжелые — в сто раз тяжелее, чем атом водорода, и столкновение этих частиц с ядрами обычного вещества можно зафиксировать. Однако наблюдениям мешает естественная радиация, которая производит аналогичные столкновения, поэтому подобные эксперименты проводятся под землей.
- Второй способ увидеть темную материю — это наблюдать ее аннигиляцию, то есть смотреть, как частицы темной материи сталкиваются и превращаются в известные науки частицы, и фиксировать их. Третий способ — это поиск на ускорителе, в ходе работы которого можно наблюдать за рождением частиц, связанных с темной материей.
И наконец, можно наблюдать формирование структур из темной материи, плотность которых зависит от скорости ее частиц.
Пока обнаружить темную материю с помощью этих методов не удалось.
