Темная материя что это такое простыми словами
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Распределение масс во Вселенной
Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского. В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.
Давайте узнаем про все это подробнее …
Темная материя и темная энергия — это то, что не видно глазу, однако их присутствие доказано в ходе наблюдений за Вселенной. Миллиарды лет назад наша Вселенная родилась после катастрофического Большого Взрыва. По мере того, как ранняя Вселенная медленно охлаждалась, в ней начала развиваться жизнь. В результате сформировались звезды, галактики и остальные видимые ее части. Размеры нашей Вселенной просто ошеломительны. К примеру, одного Солнца достаточно для освещения и обогрева миллиона планет, аналогичных Земле. При этом Солнце является звездой среднего размера, а одна только наша галактика состоит из 100 миллиардов звезд. Это количество превышает количество песчинок на небольшом пляже. Однако это еще не все.
Как известно, Вселенная состоит из нескольких миллиардов галактик, где существует самая разная материя. Возможно ли, чтобы какая-то из этих материй была невидима глазу. Скорее всего, поскольку результаты недавно проведенных исследований показали, что мы можем видеть лишь десятую часть Вселенной. Значит, более 90% материи человек просто не способен рассмотреть даже с использованием специального оборудования. Астрономы называют такую материю темной.
Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.
Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.
Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.
Доказательством существования темной материи является ее тяжесть – сила гравитации, которая, словно клей, сохраняет целостность Вселенной. Все части Вселенной взаимно притягиваются друг к другу. Благодаря этому ученые смогли рассчитать общую массу видимой Вселенной, а также показатели гравитационных сил. В ходе расчетов был выявлен существенный дисбаланс в этих параметрах, что дало основание полагать, что существует некая невидимая материя, обладающая определенной массой и также подверженная воздействию гравитации.
Изучение темной материиКроме того, доказательством существования темной материи стало ее гравитационное влияние на другие объекты, в том числе на траекторию движения звезд и галактик. Было обнаружено, что многие галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Согласно теории гравитации А. Эйнштйна, они должны разлетаться в разные стороны. Однако что-то невидимое будто удерживает их вместе.
Также темная материя может повлиять на траекторию распространения света. Было исследован феномен гравитационного линзирования, который состоит в том, что плотные объекты способны отражать свет дальних объектов, меняя траекторию световых потоков. Это приводит к искажению изображения и возникновению миражей звезд и галактик. Ученые фиксируют эти световые изгибы, но не могут назвать природу этого явления.
Темная материя в нашей Вселенной может существовать в виде массивных астрономический гало-объектов (МАГО). К ним относятся планеты, луны, коричневые и белые карлики, пылевые облака, нейтронные звезды и черные дыры. Как правило, они слишком малы, чтобы их свет был обнаружен человеком, однако их существование может быть вычислено через гравитационное воздействие на световые потоки. В последние годы астрономы обнаружили несколько типов МАГО-объектов. Они могут состоять как из обычных барионных частиц, так и аксинов, нейтринов, вимпилов и суперсимметричной темной материи.
Исследование темной материи и темной энергии
Поскольку интерес к темной материи продолжает расти, появляются новые инструменты, помогающие в получении более обширных представлений об этом таинственном феномене. Так, космический телескоп Хаббл предоставил весьма ценную информацию о размере и массе видимой Вселенной. Эти данные стали первым и очень важным шагом на пути к изучению истинного количество темной материи во Вселенной.
Важно понимать, что устройство Вселенной не является случайным, и с помощью Хаббла можно детально представить ее структуру. Доподлинно известно, что галактики располагаются в кластерах, а эти кластеры — в суперкластерах. Сверхскопления космических тел находятся в губчатой структуре с обширными пустотами. Очевидно, формирование такой структуры обусловлено весьма конкретными причинами. Рентгеновские телескопы, которые имеются в обсерватории Чандра, помогают в изучении огромных облаков горячего газа в этих скоплениях. Ученые выяснили, что в этих областях должна присутствовать и темная материя, иначе газ будет утекать из кластера. Кроме того, в данный момент ведется разработка новых инструментов, которые, в конце концов, помогут разглядеть эту темную сторону Вселенной.
Подходы и методы исследования частиц темной материи
На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.
Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.
Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.
Субстанция, обладающая антигравитацией
Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.
Кандидаты на роль «Темной энергии»
Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.
Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.
Темная материя: что это такое, как мы узнаем, что она есть, и найдем ли мы ее?
Смоделированный вид распределения темной материи в нашей Вселенной
Это звучит как научная фантастика, чтобы сказать, что есть невидимые, необнаружимые вещи вокруг нас, и что у него есть жуткое название темной материи. Но есть много доказательств того, что этот материал очень реален. Так что же такое темная материя? Откуда мы знаем, что оно там? И как ученые его ищут?
Все, что мы видим вокруг – от растений до планет, от камней до звезд, от людей до скопления галактик Персея – состоит из материи. Но все это составляет лишь около 15 процентов от общего количества материи во Вселенной. Подавляющее большинство, то есть оставшиеся 85 процентов, не учитываются – и мы называем это темной материей.
Во всем мире предпринимаются огромные усилия, чтобы попытаться раскрыть, что же на самом деле представляет собой темная материя, но возникает естественный вопрос: если мы не можем ее увидеть, почувствовать, услышать, понюхать или попробовать на вкус, как мы узнаем, что она вообще существует?
Откуда мы знаем, что темная материя существует?
Все, что имеет массу, имеет гравитационное притяжение, и чем больше массы что-то имеет, тем сильнее становится эта сила. Но астрономы постоянно видят, что крупномасштабные объекты, такие как галактики и скопления, ведут себя так, как будто они имеют гораздо большую массу, чем то, что видно.
Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки был первым, кто предложил идею темной материи в 1933 году. Он изучал скопление галактик и обнаружил несоответствие: похоже, что их массы не хватает, чтобы объяснить, как быстро движутся эти галактики.
Открытие Цвики было только первым примером явно пропавшей массы. В конце 1970-х астрономы Вера Рубин и Кент Форд наблюдали за нашей соседней галактикой, Андромедой. Дуэт ожидал увидеть объекты на окраинах галактики, вращающиеся медленнее, чем те, что ближе к центру, но это было не так: вместо этого относительные скорости имели тенденцию выравниваться, а объекты на окраинах вращались гораздо быстрее, чем должна была позволить видимая масса.
Еще одним убедительным доказательством является гравитационное линзирование. Поскольку световые лучи искажаются гравитационными полями, огромные массы могут изгибать свет, проходящий мимо более удаленных объектов, и делать эти объекты более крупными или яркими, как космическое увеличительное стекло. В других случаях он может дублировать изображение объекта или даже «воспроизводить» такие события, как сверхновые. Опять же, это линзирование часто происходит сильнее, чем это должно быть возможно из видимой массы объекта в середине.
Темная история вселенной
Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру вселенной, которую мы видим сегодня.
В первые дни существования Вселенной все было относительно гладко. Мы можем видеть это сегодня на фоне космического микроволнового излучения, которое является излучением, которое было создано приблизительно через 400 000 лет после Большого взрыва. Независимо от того, в каком направлении мы смотрим, это излучение выглядит одинаково.
Так как же эволюционировала Вселенная от супергладких до комковатых скоплений? Это влияние темной материи.
Даже в спокойные ранние дни существования Вселенной в некоторых областях было чуть больше темной материи, чем в других. Эта дополнительная масса означала большую гравитацию, поэтому эти более плотные области притягивали регулярную материю, которая, в свою очередь, притягивала все больше и больше. В конечном счете жара и давление заставили эти очаги материи воспламениться как звезды, что дало толчок образованию планетных систем, галактик и кластеров, которые мы видим сегодня.
Тот факт, что вселенная структурирована так, как она есть, является еще одним свидетельством темной материи. Так что мы знаем, что она там. Но что именно это такое? И как ученые ее ищут?
Охота за темной материей
Эксперимент ABRACADABRA не обнаружил сигналов аксионов с массами от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт
Нелегко искать что-то невидимое и редко взаимодействующее с обычной материей. Итак, ученые начинают с теоретизирования того, что может быть темной материей, а затем разрабатывают и проводят эксперименты для проверки каждой гипотезы. Проблема в том, что темная материя может быть чем угодно.
Частицы темной материи могут быть одними из самых легких во Вселенной, или же они могут иметь массу карликовой планеты, или где угодно между ними. Темная материя может быть «горячей» или «холодной», что не имеет ничего общего с температурой, но описывает, как быстро она движется. Она может существовать в возбужденных состояниях, или иметь более низкую энергию.
Может ли ЦЕРН создать темную материю?
3D-рендеринг Большого адронного коллайдера
Различные типы экспериментов охотятся за различными теоретическими частицами темной материи. Пожалуй, самые известные эксперименты проводятся церном на Большом адронном коллайдере (LHC). Там ученые ищут темную материю, пытаясь создать ее.
В LHC протоны сталкиваются с чрезвычайно высокими энергиями, создавая поток других частиц. Иногда это экзотические частицы, к которым ученые обычно не имеют доступа, и есть надежда, что темная материя может быть среди них.
Опять же, если бы темная материя была произведена в одном из этих столкновений, было бы невозможно непосредственно обнаружить – вместо этого она просто выплыла бы из туннеля, не взаимодействуя с детектором. Но именно это необнаружение и ищут ученые.
Хотя LHC совершил квадриллионы этих столкновений за эти годы, до сих пор не было обнаружено никаких подозрительных сигналов темной материи. Но это помогает сузить широкий спектр возможностей, поэтому будущие поиски могут быть более целенаправленными.
Возможно, ответ, наконец, придет после того, как в 2026 году модернизация LHC будет завершена.
Прямое обнаружение темной материи
В то время как LHC ищет в одной части спектра возможностей, другие эксперименты пытаются обнаружить его по-разному. Эти исследования основываются на возможности того, что темная материя иногда может взаимодействовать с обычной материей другими способами, кроме гравитации.
Эта базовая концепция была реализована в различных экспериментах по всему миру. Детекторы обычно размещаются в глубоких подземных камерах, вдали от помех, таких как космические лучи или электромагнитные сигналы. И все они ищут различные гипотетические частицы темной материи, используя в качестве детектора различные вещества.
В экспериментах типа LUX и XENON1T использовались огромные емкости с ксеноном, чтобы попытаться обнаружить кандидата темной материи, известного как слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP). Идея заключается в том, что когда эти теоретические WIMP сталкиваются с атомом ксенона в резервуаре, они испускают вспышку света, которую могут обнаружить инструменты.
Другое предложение будет использовать вместо этого сверхтекучий гелий. Логика заключается в том, что гелий имеет гораздо более легкое атомное ядро, чем ксенон, поэтому он должен быть более чувствительным к удару темной материи. Это означает, что он может собирать частицы темной материи, которые в 10 000 раз легче, чем другие эксперименты.
В других экспериментах все происходит совершенно по-другому.
Представление камеры радиообнаружения аксионов.
Одним из ведущих кандидатов на роль темной материи является гипотетическая частица, называемая аксионом. Если бы они существовали, то были бы электрически нейтральными, очень легкими и дрейфовали бы повсюду волнами. Но самое главное, они должны иметь крошечные, но обнаруживаемые взаимодействия с электричеством и магнетизмом – и именно так они могут проявляться.
Эксперимент ABRACADABRA предназначен для поиска магнитного отпечатка аксионами. Идея состоит в том, что из-за того, как работают электромагнитные поля, в самом центре кольцевого магнита не должно быть магнитного поля. Так что, если вы установите его и посмотрите на середину, аксион может заявить о себе, если там возникнет самопроизвольное магнитное поле.
В похожей идее ученые из Стокгольмского университета предложили устройство, которое они называют «Аксион-радио». Детектор также использует мощный магнит, но в центре находится камера, заполненная холодной плазмой, которая содержит лес ультратонких проводов. На этот раз любые аксионы, проходящие через него, создадут небольшое электрическое поле, которое приведет к колебаниям в плазме.
Эксперимент nEDM ищет аксионы по-другому. Здесь нейтроны захватываются и электризуются, затем их спин контролируется. Высокое напряжение должно влиять на их скорость спина на определенной частоте – и если эта частота будет видна, что изменяется с течением времени, это может быть признаком аксионной интерференции.
Нулевые результаты не являются недействительными
Охота на темную материю продолжается
Каждый тест ищет кандидатов на темную материю в определенном диапазоне масс и с определенными свойствами, и по мере того, как мы вычеркиваем их из списка, мы все больше приближаемся к истине. И это помогает тому, что многие эксперименты получают обновления в будущем, которые сделают их еще более чувствительными.
Тем временем, часто предлагаются совершенно новые идеи. В последние годы ученые предположили, что темная материя может принимать форму сверхтяжелых гравитино, гексакварков d-star или даже «темной жидкости» с отрицательной массой, пронизывающей Вселенную.
Или, конечно, возможно, это просто математическое недоразумение, и какая-то невидимая и неизвестная сила создает эти странные гравитационные эффекты. Что бы это ни было, охота на темную материю далека от завершения.
Что такое Темная материя простыми словами
Большая часть Вселенной состоит из темной энергии, таинственной силы, которая управляет ускоряющимся расширением Вселенной.
Следующим по величине компонентом является темная материя, которая взаимодействует с остальной Вселенной только через свою гравитацию. Нормальная материя, включая все видимые звезды, планеты и галактики, составляет менее 5 процентов от общей массы Вселенной.
Астрономы не могут видеть темную материю непосредственно, но могут изучать ее эффекты. Они могут видеть свет, изгибающийся от гравитации невидимых объектов (так называемое гравитационное линзирование). Они также могут измерить, что звезды вращаются вокруг своих галактик быстрее, чем они должны быть.
Все это можно объяснить, если бы в каждой галактике было связано большое количество невидимой материи, способствующей ее общей массе и скорости вращения.
Астрономы знают больше о том, чем не является темная материя, чем о том, чем она является.
Темная материя темна: она не излучает света и не может быть видна непосредственно, поэтому она не может быть звездами или планетами.
Темная материя – это не облака обычной материи: частицы нормальной материи называются барионами. Если бы темная материя состояла из барионов, ее можно было бы обнаружить через отраженный свет. [Галерея: темная материя по всей Вселенной]
Темная материя не является антиматерией: антиматерия аннигилирует материю при контакте, производя гамма-лучи. Астрономы их не обнаруживают.
Темная материя – это не черные дыры, так как черные дыры – это гравитационные линзы, которые искривляют свет. Астрономы не видят достаточно линзовых событий, чтобы объяснить количество темной материи, которая должна существовать.
Структура во Вселенной формируется на мельчайших масштабах в первую очередь. Считается, что темная материя конденсируется первой, образуя “каркас”, с нормальной материей в виде галактик и скоплений, следующих за концентрациями темной материи.
Ученые используют различные методы в различных дисциплинах астрономии и физики, чтобы охотиться за темной материей:
Просто о сложном: что такое темная материя и где ее искать
Теории и практики
Теоретическая конструкция в физике, называемая Стандартной моделью, описывает взаимодействия всех известных науке элементарных частиц. Но это всего 5% существующего во Вселенной вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Что представляет из себя эта гипотетическая темная материя и как ученые пытаются ее обнаружить? Об этом в рамках спецпроекта «Физтех. Читалка» рассказывает Айк Акопян, студент МФТИ и сотрудник кафедры физики и астрофизики.
Стандартная модель элементарных частиц, окончательно подтвержденная после обнаружения бозона Хиггса, описывает фундаментальные взаимодействия (электрослабое и сильное) известных нам обычных частиц: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействия (бозонов и глюонов). Однако оказывается, что вся эта огромная сложная теория описывает лишь около 5–6% всей материи, тогда как остальная часть в эту модель никак не вписывается. Наблюдения самых ранних моментов жизни нашей Вселенной показывают нам, что примерно 95% материи, которая окружает нас, имеет совершенно неизвестную природу. Иными словами, мы косвенно видим присутствие этой скрытой материи из-за ее гравитационного влияния, однако напрямую поймать ее пока не удавалось. Это явление скрытой массы получило кодовое название «темная материя».
Современная наука, особенно космология, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса
Эксперимент LUX, в ходе которого ученые пытались с помощью бассейна, заполненного 400 кг жидкого ксенона, поймать частички темной материи — WIMPs, слабо взаимодействующие массивные частицы, — ни к чему не привел. Сейчас к запуску готовится новый эксперимент — DARWIN, в котором планируется использовать 25-тонную массу ксенона для детектирования WIMP (см. рис. 1). С другой стороны, эксперимент ADMX, направленный на обнаружение других (во много раз более легких по массе) кандидатов на роль темной материи, гипотетических аксионов, тоже пока не дал никаких результатов.
Установки экспериментов LUX (слева) и ADMX (справа)
В результате такого молчания детекторов возникает совершенно естественный вопрос: почему мы ищем именно эти частицы, почему не другое? Почему эта масса не может скрываться в других известных нам частицах или объектах? Не может ли быть так, что мы вообще идем на поводу у кодового названия, то есть не может ли быть так, что никакой темной материи и вовсе нет, просто теория гравитации дает сбой и не работает на таких масштабах? Как ученые могут быть так уверены в себе?
Дело в том, что современная наука, особенно в области космологии, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса. Изначально может быть огромное количество вероятных и невероятных, обычных и экзотических, вписывающихся в современную теорию и противоречащих ей гипотез, объясняющих какое-либо явление. Однако объективным судьей, отсеивающим все невозможные варианты гипотез, является самое простое наблюдение и эксперимент. Соответствие наблюдениям — самый базовый критерий, которому должна удовлетворять любая научная теория. Иными словами, если отбросить все невозможные гипотезы, то оставшаяся, сколь бы парадоксальной и невероятной она ни была, и является истиной. Наука работает так, как происходит расследование преступления, где каждая улика и алиби подозреваемых имеют решающий вес. Здесь я хочу как раз рассказать об этих отсеянных гипотезах и объяснить, почему такие длительные и дорогостоящие поиски WIMP и аксионов имеют под собой очень твердые основания.
Первые наблюдения, Или место преступления
Впервые странное явление обнаружил американский астроном Цвикки в 1933 году. Он исследовал скопление галактик Волос Вероники (Coma Cluster) и обнаружил странное расхождение. Дело в том, что измерить массу галактики можно двумя способами. В первом случае можно просто посчитать количество галактик в скоплении, прикинуть их примерную массу по количеству звезд (зная примерно массу каждой) и просто сложить массы всех галактик. У него получилось примерно 1013 (в массах Солнца). Во втором случае можно измерить скорости галактик: чем больше скорость, тем больше гравитационная сила, действующая на эту галактику, и тем больше общая масса скопления. Таким образом можно снова с некоторой точностью оценить массу скопления, и в этот раз у Цвикки получилось 5×1014, то есть в 50 раз больше.
Подозреваемый №1: межзвездная пыль/газ
Подобное расхождение на тот момент не вызвало большого резонанса в научном мире, так как наблюдений было в принципе очень мало и, соответственно, не хватало информации о межзвездной пыли, газе, карликовых звездах. Тогда считалось, что эта дополнительная масса может скрываться именно в них.
В своей работе 1970 года Вера Рубин и Кент Форд изучали для галактики Андромеды зависимость скорости звезд от их отдаленности от центра галактики (так называемую кривую вращения). Так как основная часть звезд сконцентрирована вблизи центра галактики, логично предположить, что чем дальше звезда от центра, тем меньше должна быть гравитационная сила, действующая на нее, и тем меньше должна быть ее скорость. Однако оказалось, что для звезд на периферии такой закон не выполняется и кривая выходит на константу (см. рис. 2).
Кривая вращения для галактики Андромеды (из статьи V. Rubin, Kent Ford Jr., 1970)
Это означало, что основная масса, которая влияет на вращение звезд, не просто скрыта от нас. Она распределена вплоть до периферии и, возможно, еще дальше. Позже подобные кривые были прорисованы для различных галактик с абсолютно тем же результатом. Для многих эллиптических галактик эти кривые не просто не спадали, но и возрастали, то есть чем дальше звезда находилась от центра, тем больше была ее скорость. Получается, что большая часть массы (в среднем более 90%) заключена не в звездах и эта скрытая масса распределена далеко за областью галактического диска в виде сферического гало (см. рис. 3). (Гало — оптический феномен, светящееся кольцо вокруг объекта — источника света. — Прим. ред.)
Сравнение области скрытой массы и размера галактики
Межзвездная пыль и газовые облака теперь уже никак не могли объяснить наличие скрытой массы. Дело в том, что так или иначе и пыль, и газ имеют внутреннее взаимодействие: из-за трения излучения частички пыли или молекулы газа теряли бы энергию, постепенно скапливаясь с периферии в центр. И в результате мы бы имели не огромное гало, простирающееся далеко за пределы самой галактики, а скопление вещества в центре. Поэтому гипотеза газопылевой природы опровергается.
Подозреваемый №2: слабо излучающие астрофизические объекты
Следующей по простоте очевидной гипотезой было то, что скрытая часть массы может быть заключена в известных астрофизических объектах (англ. MACHO — Massive astrophysical compact halo object), таких как слабые или потухшие звезды, белые, коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или даже массивные планеты типа Юпитера. Ввиду своей малости и слабой светимости эти объекты не видны в телескоп, и, вполне возможно, их так много, что они и обеспечивают наличие этой скрытой массы.
Когда слабосветящийся массивный объект пересекает наш луч зрения, то видимый объект, находящийся позади, например звезда, становится ярче из-за гравитационного линзирования света (см. рис. 4). Такое явление называется гравитационным микролинзированием. Наличие таких MACHO должно было бы привести к огромному количеству событий микролинзирования. Однако наблюдения орбитального телескопа Hubble показали, что таких событий необычайно мало и если такие объекты MACHO и есть, то их масса составляет меньше 20% от массы галактик, но никак не 95%.
Микролинзирование звезды объектом MACHO
Более того, все эти опровержения позже были подкреплены наблюдениями космического реликтового фона. Дело в том, что эти наблюдения вводят четкое ограничение на число барионов (протоны, нейтроны и все, что состоит из кварков), которые могли родиться в ранней Вселенной в период нуклеосинтеза (образования атомных ядер. — Прим. ред.). В частности, это говорит нам о том, что та барионная материя (все светящиеся звезды, газ, пылевые облака) — это уж, по крайней мере, большая часть всей барионной материи в нашей Вселенной и, соответственно, скрытая масса не может состоять из барионов.
Подозреваемый №3: модифицированные теории
Вернемся к началу рассказа: а что, если никакой дополнительной массы нет? Что, если у нас просто немножко по-другому работает теория гравитации или законы Ньютона?
В самом начале мы говорили, что чем больше гравитационная сила, действующая на объект (в данном случае — на галактику или отдельную звезду), тем больше ее ускорение (закон Ньютона) и, соответственно, скорость, так как центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости. Но что, если подкорректировать закон Ньютона? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром предложил гипотезу MOND (Modified Newtonian dynamics), в которой закон Ньютона был несколько cкорректирован для случая, когда ускорения достаточно малы (10–8 см/с2).
Такой подход хорошо объяснял кривые вращения, полученные Рубин и Фордом, и возрастающие кривые вращения для эллиптических галактик. Однако для скоплений темной материи, где ускорения галактик куда больше ускорения единичных звезд, MOND не вносил никаких поправок, и вопрос оставался открытым. Другой подход был предложен в многочисленных попытках модифицировать теорию гравитации. Сейчас существует широкий класс таких теорий, называемый параметризованным постньютоновским формализмом, где каждая отдельная теория описывается своим набором 10 стандартных параметров, объясняющих отклонение от обычной гравитации.
Какие-то из этих теорий действительно снимают проблему скрытой массы, однако ведут к другим проблемам. Например, к массивным фотонам или хроматичности гравитационной линзы (зависимости отклонения света от частоты), что, конечно же, не подтверждается наблюдениями. В любом случае, ни одна из этих теорий до сих пор не подтверждена наблюдениями. Таким образом, из всевозможных гипотез осталась только одна возможная (хотя изначально экзотическая), не противоречащая эксперименту: темная материя — это какие-то частицы небарионной природы (то есть не состоящие из кварков). Таких кандидатов в теории существует очень много (см. рис. 5), однако их подразделяют на две основные группы — холодную и горячую темные материи.
Кандидаты на роль темной материи, отсортированные по массам (из статьи V. Trimble, 1987)
Подозреваемый №4: горячая темная материя
Горячая темная материя — это легкие частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Самым очевидным кандидатом на эту роль является самое обычное нейтрино. Эти частицы имеют очень малые массы (раньше считалось, что их масса равна нулю), рождаются в недрах звезд при различных термоядерных процессах и летят, почти ни с чем не взаимодействуя. Однако оказалось, что при том количестве нейтрино, которое есть у нас во Вселенной, для объяснения темной материи необходимо, чтобы их масса была около 10 электронвольт. Но эксперименты ограничивают массу нейтрино сверху до долей одного эВ, что в сотни раз меньше.
После отказа от обычных нейтрино появилась теория о наличии так называемых стерильных нейтрино — гипотетических частиц, возникающих в теории суперслабых взаимодействий. Однако такие частицы в экспериментах пока не обнаружены, и факт их существования сейчас под вопросом. Космологические наблюдения последних лет показали, что если горячая темная материя и есть, то она составляет не больше 10% от всей темной материи. Дело в том, что различные типы темной материи предлагают различные сценарии формирования галактик (см. рис. 6).
В сценарии горячей темной материи (top-down) в результате эволюции сперва формируются большие куски материи, которые затем схлопываются в отдельные мелкие скопления и в итоге превращаются в галактики. В сценарии холодной темной материи (bottom-up) сперва формируются мелкие карликовые галактики и скопления, которые затем сцепляются и образуют более крупные. Наблюдения и компьютерное моделирование показывают, что в нашей Вселенной реализуется именно этот сценарий, что указывает на явное доминирование холодной темной материи.
Сверху — сценарий top-down (горячая темная материя), снизу — сценарий bottom-up (холодная темная материя)
Подозреваемый №5: холодная темная материя
Гипотеза с холодной темной материей на сегодняшний день является самой распространенной в ученом сообществе. Гипотетические частицы холодной темной материи подразделяются на две категории — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISPs — weakly interacting slim particles). WIMPs — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона) и так далее. Существование одного из главных претендентов на роль WISP — аксионоподобной частицы (ALP) — опровергли недавние наблюдения орбитального гамма-телескопа FERMI/LAT.
Сейчас основным кандидатом из группы WISP является аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Такая частица способна в больших магнитных полях превращаться в пару, что дает намеки на то, как можно попробовать ее обнаружить. В эксперименте ADMX используют большие камеры, где создается магнитное поле в 80000 гаусс (это в 100000 раз больше магнитного поля Земли). Такое поле в теории должно стимулировать распад аксиона на пару, которую и должны поймать детекторы. Несмотря на многочисленные попытки, пока обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось.
Таким образом, мы пропутешествовали через огромное количество различных гипотез, стремящихся объяснить странное наличие скрытой массы, и, откинув с помощью наблюдений все невозможное, пришли к нескольким возможным гипотезам, с которыми уже можно работать.
Отрицательный результат в науке — это тоже результат, так как он дает ограничение на различные параметры частиц, например отсеивает диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, выкидывая все невозможные варианты и сужая круг поисков, мы день ото дня становимся все ближе к понимаю, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.