Загадочная тёмная материя составляет более 80 % всей материи во Вселенной, но учёным так и не удалось её обнаружить. Так почему же они думают, что тёмная материя существует, из-за чего она так неуловима? Попробуем разобраться в этой статье.
Почему решили, что тёмная материя существует?
Вся видимая материя – звёзды, газ, пыль – излучает электромагнитные волны, начиная от длинных радиоволн и до коротких гамма-излучений. Посмотрим на типичную галактику, примем во внимание всю видимую материю и воспользуемся законами классической механики (или, для большей точности, общей теорией относительности), чтобы описать движение галактики.
В рамках Солнечной системы теория гравитации Эйнштейна отлично работает, однако реальное движение галактики сильно отличается от теоретических расчётов. Видимая материя во внешних областях галактик движется гораздо быстрее, чем предсказывает теория гравитации. Видимой материи просто недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые скорости вещества в галактиках. Галактики и скопления галактик разлетелись бы на части, если бы единственная масса, которую они содержали, была массой, видимой обычными телескопами.
Краткую информацию о структуре Вселенной можно узнать из конспекта «Облака знаний» по астрономии «Структура Вселенной».
Гравитация скрытой массы влияет не только на орбиты звёзд в галактиках, но и на траекторию света. Альберт Эйнштейн в начале 20 века показал, что массивные объекты во Вселенной искривляют и искажают свет под действием силы гравитации. Это явление называется гравитационным линзированием. Наблюдения гравитационного линзирования галактиками тоже показали, что видимой материи в галактиках недостаточно, чтобы наблюдаемые данные сошлись с теоретическими предсказаниями.
При объяснении такого поведения вещества в галактиках учёные разделились на два лагеря:
1. Первые утверждают, что существует невидимая материя, которую невозможно наблюдать в телескопы. И эта материя создаёт необходимую гравитацию. Её назвали тёмной материей.
2. Вторые решили, что законы общей теории относительности неверны в масштабах галактик. Сторонники этой идеи развивают так называемые модифицированные теории гравитации.
Модифицированные теории гравитации сталкиваются с не меньшими вызовами, чем теория Эйнштейна, поэтому большинство учёных всё же придерживается первой точки зрения.
Из чего состоит тёмная материя?
Тёмная материя совершенно невидима. Он не излучает свет или энергию и поэтому не может быть обнаружена обычными датчиками и детекторами. По мнению учёных, ключ к её неуловимой природе должен лежать в её составе.
Видимая материя, также называемая барионная материя, состоит из барионов. Барионы — это общее название субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. Учёные лишь предполагают, что тёмная материя состоит из небарионной материи. Главные кандидаты на роль частиц тёмной материи, вимпы (WIMPs – слабо взаимодействующие массивные частицы), как полагают, имеют массу от десяти до ста раз больше протона, но их слабое взаимодействие с обычной материей затрудняет их обнаружение.
Стерильные нейтрино — ещё один кандидат на роль частиц тёмной материи. Нейтрино — это частицы с очень малой массой, которые излучает Солнце. Они редко взаимодействуют с обычной материей и трудно обнаружимы. Прямо сейчас через вас проходят нейтрино, которые, скорее всего, не столкнуться ни с одной частицей вашего тела.
Есть несколько известных типов нейтрино, один из них – гипотетическое стерильное нейтрино – выдвигается в качестве кандидата на роль частицы тёмной материи. Считается, что стерильные нейтрино должны взаимодействовать с обычной материей только посредством гравитации.
Краткую информацию о фундаментальных взаимодействиях можно узнать из конспекта «Облако знаний» по физике «Фундаментальные взаимодействия и их переносчики».
Как можно обнаружить частицы тёмной материи?
Вимпы и стерильные нейтрино – далеко не единственные кандидаты на роль частиц тёмной материи. Для каждого возможного кандидата существует своя стратегия поиска. Люди строят гигантские детекторы глубоко под землёй и ищут сигналы тёмной материи в космосе.
- Прибор, установленный на Международной космической станции под названием магнитный альфа-спектрометр (AMS), обнаруживает антивещество в космических лучах. Учёные измерили избыток позитронов (античастиц электронов), и предположили, что этот избыток может происходить из тёмной материи.
- Под горой в Италии детектор XENON1T измеряет крошечные вспышки света и заряда, которые генерируются при взаимодействии частицы с ксеноном. Учёные используют эту информацию, чтобы восстановить положение взаимодействия частиц внутри детектора, а также выделившуюся энергию и то, могло ли взаимодействие быть вызвано тёмной материей. Свет наблюдают 248 чувствительных фотосенсоров, каждый из которых способен обнаруживать даже одиночные фотоны.
- LUX — это детектор тёмной материи, целью которого является обнаружение вимпов. LUX использует жидкий ксенон для идентификации взаимодействий отдельных частиц и поиска слабых взаимодействий тёмной материи. Несмотря на беспрецедентную чувствительность детектора, эксперимент до сих пор не увенчался успехом. Однако, по словам учёных, нулевой результат важен, поскольку он меняет ландшафт области поиска.
- Несколько телескопов, вращающихся вокруг Земли, также ищут эффекты тёмной материи. Космическая обсерватория «Планк» Европейского космического агентства, завершившая миссию в 2013 году, провела четыре года в точке Лагранжа (точка на орбите вокруг Солнца, где космический корабль сохраняет стабильное положение относительно Земли), фиксируя распределение космического микроволнового фона. Неравномерности в распределении этого микроволнового фона позволили понять, как распределяется тёмная материя.
- Миссия европейского космического агентства «Евклид», запущенная 1 июля 2023 года, в настоящее время занимается поиском тёмной материи и тёмной энергии. Целью миссии является составление карты геометрии материи во Вселенной, в частности распределения галактик, чтобы узнать больше о неуловимой тёмной материи.
Откуда берётся тёмная материя?
Тёмная материя, скорее всего, распределена по космосу сетчатым узором, причём в узлах пересечения волокон образуются скопления галактик. Есть несколько теорий о том, откуда берётся тёмная материя. Тёмная материя может быть сосредоточена в чёрных дырах, которые из-за чрезвычайной силы гравитации пожирают всё, что находится рядом с ними. Она могла быть создана в результате Большого взрыва вместе со всеми другими составляющими элементами Вселенной, какой мы видим её сегодня.
Считается, что остатки звёзд, такие как белые карлики и нейтронные звёзды, также содержат большое количество тёмной материи, как и коричневые карлики — несостоявшиеся звёзды — которые не накопили достаточно материала для запуска термоядерного синтеза в своих ядрах.
Какие выгоды может принести решение проблемы тёмной материи?
На данный момент учёные ещё не совершили значительных открытий, которые всерьёз продвинули бы решение проблемы тёмной материи. Разрешение загадки, чем бы оно не завершилось, однозначно продвинет понимание устройства Вселенной. Хотя открытия фундаментальной науки редко вносят незамедлительный результат в обычную жизнь, однако, решение проблемы тёмной материи несомненно будет большим шагом вперёд в развитии человечества.
