Темная материя - это загадочная несветящаяся субстанция, составляющая подавляющее большинство материи во Вселенной. Хотя специалисты уже несколько десятилетий наблюдают гравитационное воздействие темной материи, ученые по-прежнему озадачены ее истинной природой.
Кто открыл темную материю?
В конце 19 века астрономы начали строить предположения о невидимой материи - тусклых звездах или газе и пыли, рассеянных по Вселенной. Исследователи даже начали оценивать его массу, согласно обзору 2018 года в журнале "Обзоры современной физики". Большинство считало, что эта загадочная субстанция является незначительным компонентом общей массы космоса.
Лишь в 1933 году швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки заметил, что далекие галактики вращаются друг вокруг друга гораздо быстрее, чем это было бы возможно с учетом их видимой в телескопы материи. "Если бы это подтвердилось, мы получили бы удивительный результат, что темная материя присутствует в гораздо большем количестве, чем светящаяся", - написал он в статье, опубликованной в журнале Helvetica Physica Acta в том же году.
Но многие специалисты в этой области продолжали скептически относиться к результатам Цвикки до 1970-х годов, когда астрономы Кент Форд и Вера Рубин провели детальные исследования звезд во внешних областях соседней галактики Андромеды. Эти звезды вращались вокруг галактического ядра слишком быстро, как будто некий невидимый материал гравитационно тянул их и подталкивал - такое наблюдение ученые вскоре заметили в галактиках по всей Вселенной.
Исследователи не знали, из чего состоит эта невидимая масса, и 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 "Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона" (WMAP) показал, что эта темная материя превосходит обычную видимую материю в соотношении пять к одному, по данным НАСА.
Почему темная материя остается загадкой
Телескопы так и не смогли найти достаточное количество мелких компактных объектов, чтобы объяснить это огромное скопление вещества. 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.
Главный кандидат на роль темной материи называется слабо взаимодействующей массивной частицей или WIMP. Эти умозрительные сущности не встречаются в Стандартной модели физики частиц, которая описывает почти все частицы и силы. WIMPs были бы более похожи на призрачное нейтрино, только весили бы они в 10-100 раз больше, чем протон. (Точная масса нейтрино неизвестна, но они намного легче электронов).
Как и нейтрино, WIMPs 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 были бы электрически нейтральными, что означает, что они не взаимодействовали бы с электромагнетизмом, основой света, и поэтому оставались бы невидимыми.
В попытках обнаружить WIMPs физики построили огромные детекторы и поместили их глубоко под землю, чтобы защитить от мешающих космических лучей, но до сих пор ни один эксперимент не обнаружил доказательств их существования. В последние годы эта неудача заставила некоторых исследователей задуматься, не пустились ли они в погоню за дикими частицами, не имеющую реального конца.
Поэтому некоторые ученые обращают свое внимание на более нового кандидата в темную материю под названием аксион, масса которого будет составлять миллионную или даже миллиардную долю массы электрона, сообщается в Proceedings of the National Academy of Science. Эти гипотетические частицы особенно привлекательны для исследователей, поскольку они могут решить еще одну нерешенную 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 в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, детектора, изначально созданного для ловли WIMPs, объявили, что обнаружили небольшой, но неожиданный сигнал, который можно объяснить присутствием аксионов. Результаты шокировали научное сообщество, но пока не подтверждены другими экспериментами.
Существует ли темная материя вообще?
Это означает, что исследователи до сих пор ломают голову над тем, что же такое темная материя. Некоторые теоретики задаются вопросом, существует ли целый темный сектор Вселенной с множеством частиц и даже темных сил, которые влияют только на темную материю, подобно субатомной сложности, наблюдаемой в видимом космосе.
В то же время меньшинство ученых считают, что темная материя - это мираж. Они придерживаются идеи, известной как модифицированная версия инерции, или MOND, которая предполагает, что в больших масштабах гравитация действует иначе, чем ожидается, и это объясняет наблюдаемое вращение звезд и галактик. Но большинство экспертов не убеждены в необходимости столь радикального отхода от известной физики, который также потребует изменения нашего понимания больших частей реальности.
Темная материя, насколько известно, не связана с темной энергией - другим загадочным явлением, ответственным за ускорение расширения космоса. Эти два явления просто объединяет слово "темный", которое часто используется учеными в качестве обозначения того, что они не до конца понимают.