То, что мы видим вокруг нас — лишь крохотная часть того, из чего состоит наша вселенная, и о чем мы почти ничего не знаем. Это вещество пока не обнаружили, о его свойствах известно очень мало, но оно сулит человечеству мощный рывок вперед. Сегодня мы поговорим о том, что такое темная материя, где найти ее на Земле и что будет, когда мы, наконец, разгадаем ее загадку.
Что такое темная материя? Из чего она «соткана»?
На этот вопрос ответить очень легко — никто не знает. Моделей и гипотез очень много, пожалуй, наиболее популярной на сегодняшний день является модель WIMPов — сокращение от английского Weakly interacting massive particles - слабовзаимодействующих массивных частиц. Согласно этой модели, темная материя состоит из частиц тяжелее протона в десятки или сотни раз, то есть по массе равных, скажем, массе ядра золота.
Но ничем не хуже и другая модель, где темная материя - это не микроскопические частицы, а первичные чёрные дыры, которые могли образоваться в первые мгновения существования Вселенной. Массы этих чёрных дыр могут быть как сравнительно малыми (одна миллиардная масса Солнца), так и превышать массу Солнца в тысячи раз.
Темная материя — это ахиллесова пята в астрофизике?
Первые предположения о существовании темной материи появились еще в XX веке, когда астрономы выяснили, что скорости, с которыми движутся галактики скопления «Волосы Вероники» существенно выше, чем можно ожидать, учитывая их суммарную массу. Ученые сделали вывод, что основное количество материи в этой области вселенной, остается по каким-то причинам невидимым и недоступным для прямых наблюдений.
До сих пор тёмная материя остается серьёзнейшей проблемой для физики частиц. В ней есть «стандартная модель», которая проверена на точности в одну миллиардную, и которая подходит для всех известных частиц, но не для частиц, которые могут составлять темную материю. И физики-теоретики объяснимо нервничают. Астрофизикам в каком-то смысле проще - к тёмной материи можно относиться как к данности, и изучать как она распределена в различных астрономических объектах типа галактик. И именно их наблюдения темной материи позволяют хоть что-то сказать о её свойствах, и поэтому мы думаем, что это не ахиллесова пята, а совсем наоборот.
Существует также теория о существовании «зеркального вещества» — частиц с «правым вращением» являющихся для привычного нам мирам «зеркальными». Теория, называемая также «струны Алисы», гласит, что для каждой из известных основных частиц (электрон, протона, фотон и прочие), существует также соответствующая зеркальная частица.
Есть темная материя, есть темное вещество и есть вещество обычное - в чем разница?
Эти два понятия часто путают. Темным веществом называется любое вещество, которое очень слабо взаимодействует с фотонами, то есть плохо отражает свет. Для примера, если мы закинем чёрную чугунную гирю в космос и попробуем рассмотреть ее в телескоп, то гиря для нас будет темным веществом. На больших масштабах темное вещество есть в скоплениях галактик с массами в десятки и сотни триллионов солнечных масс. Большая доля этой громадной массы может быть в форме разреженной плазмы, которая светится так слабо, что её очень сложно наблюдать, но темной материей она не является.
Основное различие — в составе. Темная материя — это конечно тоже темное вещество, но не всякое темное вещество — темная материя. Темное вещество может состоят из привычных нам протонов, нейтронов и электронов, в различных комбинациях они образуют разные химические элементы. А вот темная материя точно состоит не из этих частиц. А вот из чего, мы пока не знаем.
Из астрономических наблюдений уже понятно, что взаимодействие темной материи с частицами обычного вещества очень слабое, но пока неизвестно, насколько оно слабо. Если оно вообще есть, то есть и шанс обнаружить следы этих взаимодействий на сложных детекторах по поиску темной материи, которые сейчас работают в различных лабораториях. Если темная материя взаимодействует с обычным веществом только гравитационно - значит изучить ее этим способом мы не можем.
Темная материя встречается на Земле?
Мы знаем, что темную материю невозможно увидеть, но при этом она встречается в различных уголках вселенной. Поэтому, ученые на данный момент полагают, что темную материю можно зафиксировать, в том числе, и на Земле в те моменты, когда наша планета проходит через ее сгустки. Предполагается, что в эти моменты темную материю можно обнаружить чувствительными инструментами.
Чтобы экранировать детекторы от космических лучей их размещают на глубине в несколько километров и ждут взаимодействия частицы темной материи и атома внутри детектора. Другие методы предлагают «ловить» материю с помощью датчиков гравитации, а также детекторов гравитационных волн. Датчики уже распространены по всему миру и объединены в единую сеть с архивом данных за более чем 20-летний период наблюдений. А гравитационные волны космического происхождения ищут в рамках проекта LIGO. Так что скоро могут появиться какие-то данные.
Пусть у нас есть фанерный ящик метр x метр x метр. Если темная материя состоит из массивных частиц, о которых говорилось чуть раньше, то в таком ящике в любой момент времени находится около 1000 частиц темной материи. Более того, частицы темной материи не стоят на месте, а движутся со скоростью около 300 км/сек, так что через ящик каждую секунду пролетает несколько сот миллионов таких частиц. Ученые сегодня проектируют различные сверхчувствительные детекторы темной материи, однако из-за того, что вероятность взаимодействия темной материи и частиц обычного вещества очень мала, заметных результатов не достигнуто. Но шанс есть!
Как темная материя связана с зарождением Вселенной?
Темная материя, как и материя обычная, образовались в самом начале существования Вселенной. Она сыграла ключевую роль в образовании галактик, звёзд, и, в конечном итоге, нас с вами. Дело в том, что в самом начале Вселенная была очень однородной, отклонения плотности от средней были на уровне 1 к 100 000. И здесь действует принцип «деньги к деньгам», то есть более плотные области притягивали вещество из окружающего пространства и продолжали копить массу.
Но Ранняя Вселенная была наполнена ярким излучением, которое эффективно препятствовало скучиванию обычного вещества. Это вмешательство прекратилось только после так называемой эпохи рекомбинации, когда Вселенная стала в основном прозрачной для излучения. Неоднородности из обычного вещества после этого могли начать спокойно расти. А из-за их начальной малости сейчас бы мы успели доэволюционировать до эпохи первых звёзд. Понятно, что в такой Вселенной вряд ли могла возникнуть жизнь.
Темная материя же с излучением не взаимодействует, поэтому она не мешает росту различных неоднородностей (например, нашей с вами галактики), который начинается прямо с эпохи «Большого взрыва». Неоднородности темной материи и послужили затравками, на которых потом смогли образоваться галактики и звёзды в них.
Что произойдет с наукой, когда мы узнаем, что такое темная материя?
На этот вопрос можно будет ответить только тогда, когда мы поймём из чего состоит тёмная материя. Взять хотя бы теории, предполагающие ее состав. Если темная материя — это микроскопические частицы — это одно дело, а если она состоит из первичных чёрных дыр - совсем другое, а значит и влияние на науку будет совсем иным.
Представьте себе, что наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Этот факт может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным, но эта встреча принесет человечеству радикально новые знания, поскольку «земная» физика никогда на имела дела с чем-то подобным. А это значит новые открытия, новые понятия и возможности, о которых мы пока не имеем никакого представления.
Темная материя находится не только где-то далеко в центре нашей Галактики, а существует рядом с нами и даже, вероятно, пролетает сквозь нас прямо сейчас. И когда-нибудь наука узнает как ее использовать.
