Открытие темной материи
История о темной материи началась с того, что в результате проведенных измерений галактики оказались более тяжелыми, чем предполагалось согласно теории. Например, для того чтобы рассчитать массу Солнца необходимо знать расстояние между ним и Землей и скорость вращения нашей планеты. Так же определяются массы галактик. Если выбрать звезды на внешней периферии, измерить скорость, с которой они вращаются, можно в результате серии измерений для каждой группы звезд рассчитать суммарный вес галактики.
Согласно закону гравитации тела, расположенные ближе к центру орбиты, вращаются быстрее, дальше от центра - медленнее. Так, Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 107 200 км/ч, Меркурий-172 300 км/ч, Нептун-19500 00 км/ч.
Предполагалось, что звезды, находящиеся внутри галактики, будут вращаться быстрее, чем на внешних орбитах. Измерения показали, что все звезды, как внутри, так и на периферии галактик вращаются практически с равной скоростью. Как если бы Нептун и Меркурий в нашей звездной системе вращались одинаково быстро.
Астроном Вера Рубин, обнаружившая данный факт, объяснила это тем, что галактики находятся внутри облака, образованного невидимым тяжелым веществом, которое задает им вращательный импульс. Это было вначале 1960-х годов, тогда и возник термин «темная материя», хотя идея появилась еще раньше в 1930-х годах во время наблюдения за скоплениями галактик и открытия факта, что галактики вращаются слишком быстро, исходя из их общей рассчитанной массы. Не хватало большого количества дополнительного вещества.
В начале считали, что это свойство только скоплений галактик, но Вера Рубин доказала, что то же самое характерно для любой галактики, включая нашу собственную. Это означает, что и Солнце и планетная система также окутаны невидимой тяжелой материей.
Из теории относительности Эйнштейна известно, что тяжелые космические объекты искривляют пространство и время, создавая эффект гравитационного линзирования. Проходя сквозь кластеры свет диафрагмирует, как при прохождении через линзу. В результате вокруг удаленных галактик телескопы фиксируют светящиеся кольца и арки. Расчет показывает, что для создания подобных эффектов недостаточно массы видимой материи.
MOND против «темной материи»
Вычисления проводились на основе общей теории относительности и законов гравитации, вытекающих из нее. Возможно, современные представления о гравитации не являются полными? Астроном Милгром в 1983 году предложил теорию MOND, Модифицированную Ньютоновскую динамику, согласно которой, существует только видимая материя.
В данной теории закон всемирного тяготения, определяющий силу гравитации, имеет разные формулы в различных частях Вселенной. На периферии спиральных галактик сила гравитации обратно пропорциональна расстоянию между телами, а не квадрату расстояния, как считал Ньютон, поэтому скорость вращения звезд уменьшается незначительно. Спор между MOND и «темной материей» продолжается до сих пор. Каждая из сторон предлагает эмпирические данные, подтверждающие собственные взгляды.
В пользу «темной материи» послужили наблюдения за кластером Пуля, состоящим из двух скопления галактик, которые сталкиваются между собой и проходят сквозь друг друга уже в течение 4 млрд лет. На фото, полученном путем наложения трех типов данных, эффект гравитационного линзирования сильнее всего проявляется в двух отдельных областях, выделенных голубым цветом. Именно здесь больше всего гравитационное взаимодействие и отсутствует электромагнитное, что согласуется с предсказанными свойствами темной материи.
Новый игрок - антиматерия
В качестве базовых элементов темной материи рассматривают несколько вариантов: первичные черные дыры, которые появились в первые моменты образования Вселенной, элементарные массивные частицы WIMP и сверхлегкие аксионы.
Частица аксион, которую выделяют в настоящее время на ускорителях Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN)
является также кандидатом на роль медиатора между темной материей и антиматерией. Взаимодействие между ними помогло бы понять не только происхождение темной материи, но и свойства симметрии природы.
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает все известные фундаментальные частицы, силы взаимодействия между ними и подразумевает, что эти свойства должны быть равны и противоположны по значению для их античастиц. В ранней Вселенной материя и антиматерия должны были быть образованы в равных количествах, однако в какой-то момент времени количество материи стало преобладающим.
Исследования, проводимые в CERN, пытаются выявить причину природного дисбаланса между двумя формами вещества. Эксперименты продемонстрировали, что аксионы предпочитают взаимодействовать с антиматерией, а не с обычной материей. Считается так же, что кроме гравитационного между ними существует другой неизвестный тип взаимодействия.
В настоящее время создаются универсальные модели, объединяющие гипотезы MOND, темной материи и антиматерии. Возможно, будет открыта новая пятая сила фундаментального взаимодействия, необходимая для построения Теории Всего.
Более точные измерения в дальнейшем помогут понять, как в действительности устроен мир. Хотя Вселенная всегда будет на шаг впереди, предлагая на каждом этапе лишь небольшую порцию познания.