И уже в который раз я приветствую вас, дорогие читатели! Сегодня хотелось бы рассказать о таком интересном и необычном объекте, как тёмная материя.
Тёмная материя – это та материя, которая не излучает электромагнитные волны. Она взаимодействует с миром только путём гравитационных и взаимодействий слабых сил. Присутствие тёмной материи можно вывести из расчётов по общей теории относительности в те моменты, когда масса для описания какого-либо феномена должна быть выше, чем можно наблюдать.
Из самых распространённых эффектов присутствия тёмной материи можно выделить следующие:
- Изменение скорости движения галактик внутри кластеров
- Гравитационное лензирование (искажение траектории света под воздействием массивного объекта)
- Непривычное формирование и эволюция галактик
- Изменённое расположение массы во время столкновения галактик
История изучения
Первым о тёмной материи упомянул ещё лорд Кельвин в конце XIX-го века в своей лекции по молекулярной динамике. Он говорил:
Много из наших миллиардов звёзд, а возможно и бóльшая их часть могут быть тёмными телами.
В XX веке ряд учёных также интересовались вопросом о тёмной материи, а именно Якобус Каптейн, Кнут Лундмарк и Ян Оорт. Они все предполагали, что масса звёзд в нашей Вселенной должна быть больше, чем видно на небе.
Прорывной работой в области тёмной материи стало исследование швейцарского учёного Фрица Цвикки. В ней он исследовал вращения галактик, находящихся в скоплении Кома (скопление Волос Вероники). Для замера расстояний и скоростей он использовал сверхновые звёзды типа Ia. Они славятся тем, что их яркость постоянна, а значит вычисляя красное смещение, можно узнать точное расстояние до звезды или её вращение через эффект Доплера.
После наблюдений учёный сделал вывод о том, что угловые скорости звёзд слишком высокие. Значит, масса скопления должна быть в 400 раз больше, чтобы расчёты сходились. Чтобы объяснить такое различие в массе, Цвикки тоже допустил возможность существования материи, которую мы не видим.
Как позже было выяснено, Цвикки ошибся. Но только потому что на тот момент используемая им постоянная Хаббла имела неточное значение. В современности же учёные до сих пор соглашаются с выводами Цвикки, хоть и называют значение разницы масс поменьше.
В конце XIX-XX веках учёные-астрономы называли самых разных кандидатов для тёмной материи. Так, тот же Фриц Цвикки считал, что тёмная материя — это наша обычная материя: планеты, туманности, газы, остывшые звёзды, свет от которых не долетает до Земли.
Однако на данный момент учёные считают, что тёмная материя – это скорее новый, на данный момент ещё неоткрытый, вид субатомных частиц, с которыми мы не сталкиваемся в повседневном мире.
Кандидаты на роль тёмной материи
Аксионы
Аксионы – это элементарные частицы (по которым есть целый цикл статей здесь, здесь и здесь), которые были предложены в 1978 году как решение так называемой проблемы "strong CP" или же вопроса "Почему в квантовой хромодинамике наблюдается почти идеальное сохранение CP-симметрии, хотя законы говорят, что его можно нарушать?".
Углубляясь в эту проблему, в 1977 году было предложено решение: была добавлена новая симметрия, получившая название Peccei-Quinn (PQ) symmetry. При её нарушении выделяется та самая частица — аксион, который может долго существовать и ни с чем не взаимодействовать.
На данный момент аксион является частицей гипотетической, однако при доказательствах её существования она также станет и серьёзным кандидатом для тёмной материи.
WIMPы
Weakly Interacting Massive Particles (Слабовзаимодействующие массивные частицы) — это один из кандидатов на роль "холодной" тёмной материи (т.е. той, которая двигается медленно по сравнению с тёплой и горячей тёмной материей из других теорий).
Под определение вимпа попадает любая гипотетическая частица, которая взаимодействует со Вселенной только с помощью сил слабого взаимодействия и гравитации. При этом верно условие, что интенсивность силы слабых взаимодействий > интенсивности силы гравитации.
Первичные чёрные дыры
Как читателю может быть известно, чёрные дыры — это такие объекты в пространстве, где гравитация сильнее света. Они рождаются после того, как массивная звезда заканчивает свой жизненный цикл. Со временем ядерный синтез звезды ослабевает и гравитация сжимает звезду, превращая её в чёрную дыру.
Однако не все чёрные дыры были образованы за счёт звёзд. Гипотетически существуют ещё и первичные чёрные дыры. Эти объекты предположительно могли бы быть рождены вскоре после Большого взрыва. В тот момент вся Вселенная имела вид горячего шара, где могли быть области настолько плотные, что они коллапсировали в чёрные дыры. Данные объекты по своей природе очень малы, но при этом достаточно массивны. Например, чёрная дыра размером с атом водорода по массе может быть равна среднему астероиду.
Существуют ещё другие кандитаты, но мы их всех разбирать не будем. Из них можно выделить такие классы, как:
- Лёгкие бозоны (включая аксионы)
- Нейтрино
- Страпельки
- Макроскопические кандидаты (включая первичные чёрные дыры)
- Динамическая тёмная материя
- Другие частицы (включая вимпы)
Заключение
Несомненно, могут быть совершенно разные кандидаты для роли тёмной материи. Однако все они подпадают под критерии: объект должен взаимодействовать только через гравитацию, силы слабых взаимодействий, а также быть достаточно массивным, чтобы влиять на наблюдаемые данные. Изучение подобных объектов помогает нам открыть новые частицы и поподробнее изучить законы физики