Темная материя — загадочное вещество, которое, как считается, составляет около 27% состава Вселенной. Что это такое? Немного проще сказать, чем она не является.
Это не обычные атомы , строительные блоки наших тел и всего, что мы видим вокруг себя. Согласно космологической модели, называемой Лямбда-модель холодной темной материи (она же модель Лямбда-CDM, а иногда просто Стандартная модель), атомы составляют лишь около 5% Вселенной.
Темная материя — это не то же самое, что темная энергия. Согласно Стандартной модели, темная энергия составляет около 68% Вселенной.
Темная материя невидима; он не излучает, не отражает и не поглощает свет или электромагнитное излучение любого типа, такое как рентгеновские лучи или радиоволны. Таким образом, инструменты не могут напрямую обнаружить темную материю, поскольку все наши наблюдения за Вселенной, помимо обнаружения гравитационных волн, включают улавливание электромагнитного излучения в наши телескопы.
Как она взаимодействует с обычной материей?
Тем не менее, темная материя взаимодействует с обычной материей. Она оказывает измеримое гравитационное воздействие на крупные структуры во Вселенной, такие как галактики и скопления галактик. Благодаря этому астрономы могут составлять карты распределения темной материи во Вселенной, даже если не могут наблюдать ее непосредственно.
Ученые делают это, измеряя влияние темной материи на обычную материю посредством гравитации.
Вимпы и суперсимметрия
В настоящее время предпринимаются огромные международные усилия по определению природы темной материи. Астрономы используют арсенал передовых технологий для решения этой проблемы. Они разработали еще более сложные и чувствительные детекторы, чтобы выяснить природу этого таинственного вещества.
Темная материя может состоять из еще неопознанной субатомной частицы. Она полностью отличалась бы от того, что ученые называют барионной материей - обычной материи, вещество, которое мы видим вокруг себя. Обычные атомы, состоящие из протонов и нейтронов, составляют барионную материю.
В список субатомных частиц-кандидатов входят слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). Считается, что этот класс частиц возник в ранней Вселенной. Астрономы полагают, что вимпы могут аннигилировать (самоуничтожиться) при столкновении друг с другом, поэтому они исследуют небо в поисках характерных следов таких событий, как выброс нейтрино или гамма-лучей.
Пока они ничего не нашли. Кроме того, хотя теория, называемая суперсимметрией, предсказывает существование частиц с теми же свойствами, что и вимпы, повторные поиски с целью непосредственного поиска частиц также ничего не дали. Эксперименты на Большом Адронном Коллайдере по обнаружению ожидаемого присутствия суперсимметрии совершенно не смогли ее обнаружить.
ВИМП-детекторы
Исследователи использовали несколько различных типов детекторов для обнаружения вимпов. Основная идея состоит в том, что очень редко вимп может столкнуться с обычным атомом и испустить слабую вспышку света. Самым чувствительным детектором, созданным на сегодняшний день, является XENON1T, который состоит из 10-метрового цилиндра, содержащего 3,2 тонны жидкого ксенона. Окружающие его фотоумножители обнаруживают и усиливают невероятно слабые вспышки этих редких взаимодействий. В июле 2019 года место XENON1T занял более чувствительный прибор XENONnT, который пока не обнаружил столкновений между вимпами и атомами ксенона.
Хотя вимпы уже давно являются предпочтительными кандидатами на роль темной материи, они не единственные. Неспособность найти вимпы и связанное с этим разочарование из-за невозможности объяснить значительный процент массы Вселенной побудили многих ученых искать возможные альтернативы.
На данный момент перспективной считается гипотетическая частица под названием аксион. Помимо того, что она является сильным кандидатом на темную материю, существование аксионов может дать ответы на несколько других насущных вопросов физики.
История темной материи
Идея о том, что во Вселенной могут существовать невидимые для нас объекты, не излучающие света, имеет долгую историю, уходящую в прошлое на сотни лет, еще со времен Ньютона. С открытием так называемых «темных туманностей» – облаков межзвездной пыли, блокирующих свет от фоновых звезд – и предположениями Пьера Лапласа в 18 веке об объектах, которые могли бы поглощать свет и которые позже стали известны как черные дыры, астрономы пришли к признанию существования так называемой «темной вселенной».
Но астроном Фриц Цвикки в 1930-х годах провел первые наблюдения того, что мы сейчас называем темной материей. Его наблюдения 1933 года за скоплением галактик Кома, казалось, указывали на то, что оно имеет массу в 500 раз больше, чем ранее рассчитанная Эдвином Хабблом. Более того, эта дополнительная масса казалась совершенно невидимой. Хотя наблюдения Цвикки поначалу встретили большой скептицизм, позже их подтвердили другие группы астрономов.
Вера Рубин и темная материя
Тридцать лет спустя астроном Вера Рубин представила огромное количество доказательств существования темной материи. Она обнаружила, что центры галактик вращаются с той же скоростью, что и их края. Но они должны вращаться быстрее. Представьте себе виниловую пластинку на проигрывателе: ее центр вращается быстрее, чем край. Именно это подсказывает нам логика и в галактиках. Но мы этого не видим. Единственный способ объяснить это состоит в том, что вся галактика является лишь центром какой-то гораздо более крупной структуры. Представьте себе, что это всего лишь метка на пластинке, благодаря которой галактика имеет постоянную скорость вращения от центра к краю.
Вера Рубин, вслед за Цвикки, предположила, что недостающая структура в галактиках — это темная материя. Ее идеи встретили большое сопротивление со стороны астрономического сообщества, но ее подтвержденные наблюдения теперь служат ключевым доказательством существования темной материи. В честь этой важной и исторической работы по установлению существования темной материи революционный Большой синоптический обзорный телескоп недавно получил название Обсерватория Веры Рубин.
Так ли нужна темная материя?
Некоторые астрономы пытались вообще отрицать необходимость существования темной материи. Они постулируют так называемую модифицированную ньютоновскую динамику (MOND). Идея, стоящая за этим, заключается в том, что гравитация на больших расстояниях ведет себя иначе, чем на малых. Эта разница могла бы объяснить такие явления, как кривые вращения галактик, которые мы приписываем темной материи.
У MOND есть свои сторонники, и она может объяснить кривую вращения отдельной галактики. Но текущие версии MOND просто не могут объяснить поведение и движение материи в крупных структурах, таких как скопления галактик. В своей нынешней форме теория не может полностью объяснить существование темной материи. Другими словами, гравитация действительно ведет себя одинаково на всех расстояниях. С другой стороны, большинство версий MOND описывают два вида гравитации, более слабая из которых возникает в областях с низкой концентрацией массы, например, на окраинах галактик. Однако вполне возможно, что какая-то новая версия MOND в будущем сможет объяснить темную материю.
Некоторые астрономы полагают, что в ближайшем будущем мы установим природу темной материи. Но поиски пока безрезультатны. Мы знаем, что Вселенная часто преподносит нам сюрпризы, так что ничто нельзя принимать как должное.
Подход, который используют астрономы, состоит в том, чтобы исключить те частицы, которые не могут быть темной материей, в надежде, что останется та, которая и является темной материей.
Правильный ли это подход? Время покажет.
- Чтобы не пропустить новые публикации канала, подписывайтесь на нашу страницу в Телеграм. Там мы публикуем всё самое необычное, таинственное и загадочное.