Природа всегда с огромной неохотой раскрывает свои тайны. Одна из них скрыта в словах "тёмная материя".
В современном её звучании она появилась впервые в статье американского астрофизика Фрица Цвикки при изучении движений в скоплениях галактик в 1933 году. В настоящее время установлено, что Вселенная включает в себя всего 4% нормального вещества – того, из чего сделаны мы, 27% “тёмной” материи – это вещество неизвестной формы и 68% “тёмной энергии" – это ещё одна субстанция неизвестной природы и с загадочными свойствами. (Евклид взвешивает Вселенную, Легко ли карлику за спиной гиганта?)
Мы привыкли, что все материальное проявляется через свет, воздействие на атомные и субатомные частицы, их соединения, распады, взаимодействия между собой.
Тёмная материя – это невидимая субстанция, которая не проявляет себя во взаимодействии с другими частицами, за исключением гравитационного воздействия. Она присутствует везде, но мы её не ощущаем никак. Только её гравитация действует на наше Солнце и планеты, удерживая их в пределах Галактики, не давая им отделиться от неё и улететь в космическую бездну.
Рис. 1 иллюстрирует необходимость тёмной материи. Сплошная белая линия показывает кривую зависимости скорости вращения вещества в галактике M33, когда гравитация в ней обеспечивается тёмной материей. Кривая хорошо ложится на наблюдательно измеренные значения – жёлтые и синие точки. Штриховая линия показывает значения скоростей вращения, при которых звёзды и газ могут удерживаться гравитацией только звёзд. Как видно, гравитация звёзд, без учета тёмной материи неспособна удержать звёзды и газ. Их измеряемые скорости лежат существенно выше штриховой линии. Без этой загадочной тёмной материи галактики не могут существовать.
С той поры, когда Ф. Цвикки обнаружил дефицит гравитации, прошло почти сто лет. Однако интерес к этой загадке Вселенной не только не ослабевает, но привлекает всё большее внимание исследователей. Тёмная материя приобрела мистическое звучание – ей нет места ни в одной модели элементарных частиц.
На протяжении долгих лет в качестве кандидатов частиц тёмной материи предполагались несколько видов гипотетических частиц, как это можно видеть из схемы, показанной на титульном рисунке.
В астрофизике и космологии в качестве стандартной принимается модель “холодной” тёмной материи. Под носителями холодной тёмной материи понимаются слабо-взаимодействующие массивные частицы неизвестной природы. Их называют “вимпами” от английского акронима WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Их массы предположительно в 10–1000 раз тяжелее, чем протон (ядро атома водорода). Слабое взаимодействие означает, что данные частицы взаимодействуют с электронами примерно в 10 миллиардов раз слабее, чем электроны взаимодействуют с фотонами света. Ещё слабее - с другими частицами.
В последнее время активно стали обсуждаться модели, называемые в английской литературе “Fuzzy Dark Matter” – “пушистая” темная материя. Массы частиц, несущих эту форму тёмной материи, настолько малы, что их трудно сравнивать с чем-либо в привычных терминах.
Возможно, самое простое, это посмотреть с позиций квантовой механики. Известно, что элементарные частицы проявляют волновые свойства. Например, электроны при прохождении через две узкие щели оставляют на экране интерференционную картину, как световые лучи. Чем меньше масса частицы, тем больше длина её волны. Так вот, электронам, движущимся с почти световой скоростью, соответствует длина волны чуть больше одной десяти-миллиардной доли сантиметра. Для сравнения, частицам “пушистой” тёмной материи соответствует длина волны, равная одному световому году!
Частицы с настолько ярко выраженными волновыми свойствами во многом ведут себя как обычные волны в классической физике. В случае с ультра-лёгкими частицами тёмной материи присущий им волновой характер движений может приводить к необычным, на первый взгляд, явлениям. Например, если посмотреть на волны на поверхности воды, то можно заметить, что время от времени в каком-то определенном месте вдруг, без видимых причин, возникает всплеск. Встретившиеся несколько волн случайным образом сложились так, что результирующее колебание многократно усилилось.
На такую особенность обратил недавно внимание H. Kim в статье, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (Dec, 2023). Случайные многократные усиления волн ультра-лёгких частиц тёмной материи могут проявляться в приёмниках гравитационных волн. Учитывая, что тёмная материя заполняет всё пространство, случайное усиление амплитуд от множества волн тёмной материи, оказавшееся на зеркалах гравитационно-волновых детекторов, вызовет изменение расстояния между зеркалами. В таком случае это будет зарегистрировано в виде сигнала.
Наиболее подходящими детекторами “пушистой” тёмной материи H. Kim называет два будущих телескопа гравитационных волн. Один из них LISA (Laser Interferometer Space Antenna, Europeam Space Agency – ESA). 25 января 2024 г. проект LISA был окончательно утвержден. Его вывод на орбиту планируется в 2034 году. Схематически он показан на рис. 2.
По мнению H. Kim’а для детектирования сигнала от “пушистой тёмной материи” минимальное расстояние между зеркалами приемника гравитационных волн должно превышать 2 – 2.5 млн км.
Именно такое расстояние планируется на лазерном интерферометре LISA.
Другим телескопом может быть планируемый гипертелескоп muAres Европейского Космического Агентства, основанный на лазерном интерферометре, подобном интерферометру LISA, но существенно превышающем его по размеру. В случае с muAres три зеркала, сопряженные с мощными лазерами, будут составлять равносторонний треугольник, вписанный в орбиту Марса. Его чувствительности будет заметно превосходить чувствительность LISA, рис. 3.
H. Kim полагает, что возможности LISA позволят регистрировать сигнал от наиболее сильных всплесков, связанных с ультра-лёгкими частицами тёмной материи. Однако сильные всплески крайне редки и поэтому вероятность их регистрации невысока. Более вероятным представляется возможность регистрации сигналов от совокупных возмущений плотности “пушистой тёмной материи” в рамках будущего амбициозного проекта muAres ESA. В этом случае надежды кажутся обоснованными, если учесть, что несмотря на то, что “пушистая тёмная материя” представлена ультра-лёгкими частицами, но за ними стоят гравитационные поля очень массивных объектов – галактик и их скоплений.
Мы будем следить за развитием этих проектов. Ждать осталось не так долго.
