Все вокруг нас, 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. Большая часть оставшихся 85 процентов не поддается объяснению, и мы называем это темной материей.
Новая физика темной материи: зачем ее искать и как она будет работать?
Ученым еще не удалось поймать ни одной «темной» частицы, поскольку темная материя не излучает и не поглощает свет и мало взаимодействует с обычной материей. Но без него ни Вселенная, какой мы ее знаем, ни мы сами не могли бы существовать. Как изучение темной материи помогает и объясняет это?
Пожалуйста, прочитайте раздел «Высокие технологии» в следующем разделе.
Что такое темная материя?
Это виртуальная форма материи, которую нельзя наблюдать напрямую, поскольку она не включает в себя электромагнитные взаимодействия. Она составляет четверть энергетической массы Вселенной и проявляется только в гравитационных взаимодействиях.
Звезды производят 100% света, который мы видим во Вселенной, но только 2% массы Вселенной. Движение галактик и звездных скоплений показывает, что их гравитационная масса превышает звездную массу в 50 раз. Было бы нормально думать, что это различие может быть объяснено другими видами обычной материи.
- Видимый свет составляет 5%.
- Нейтрино составляют 0,3-3%.
- Барионная темная материя — 4-5%.
- Небарионная темная материя — 20-25%.
- Темная энергия — 70-75%.
Однако при сложении всех этих компонентов вместе получается лишь 15-17% от количества материи, необходимого для объяснения гравитации. Остальное движение, которое мы видим, требует формы материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной из частиц Стандартной модели. Для этого необходима какая-то форма темной материи.
Состав и свойства темной материи в настоящее время неизвестны. Из всех принятых в космологии моделей наиболее вероятной является модель холодной темной материи. Лучший кандидат на частицы темной материи — слабаки. Его пока не удалось обнаружить экспериментально, хотя активные поиски ведутся.
Звучит как научная фантастика, когда говорят, что вокруг нас существует нечто невидимое и необнаруживаемое, и что оно носит жутковатое название темной материи. Однако существует множество доказательств того, что такие вещи действительно существуют. Так что же такое темная материя? Откуда мы знаем, что он есть? И как ученые ищут его?
Откуда мы знаем, что темная материя существует?
Считается, что темная материя заполняет Вселенную, но почему она до сих пор не найдена? И откуда мы знаем, что он существует?
Все, что имеет массу, обладает гравитацией, и чем больше масса, тем сильнее сила. Однако астрономы постоянно обнаруживают, что крупные объекты, такие как галактики и звездные скопления, ведут себя так, как будто их масса намного больше, чем та, которую мы можем видеть.
В 1933 году швейцарский астрофизик Фриц Цвикки впервые предложил идею темной материи. Он изучал скопления галактик и обнаружил определенные несоответствия.
Открытие Цвикки было лишь первым примером очевидного отсутствия массы: в конце 1970-х годов астрономы Вера Рубин и Кент Форд наблюдали за соседней с нами галактикой Андромеды. Однако объекты во внешней части галактики должны вращаться медленнее, чем объекты в центре.
Еще одним убедительным доказательством является гравитационное линзирование. Поскольку световые лучи искажаются гравитационными полями, огромные массы могут искривлять свет, проходящий мимо более удаленных объектов, и заставлять эти объекты казаться больше или ярче, как космическое увеличительное стекло. В других случаях оно может дублировать изображение объекта или даже «воспроизводить» такие события, как сверхновые. Опять же, это линзирование часто сильнее, чем это должно быть возможно исходя из видимой массы объекта в центре.
Таким образом, мы знаем, что существует темная материя. Но все становится еще более странным — Вселенная, какой мы ее знаем, не могла бы существовать без темной материи.
Темная история вселенной
Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру Вселенной, которую мы видим сегодня.
Как и обычные вещи, темная материя была создана во время Большого взрыва или, как предполагает одна теория, еще до него, во время космологической инфляции. В любом случае, структура, которую мы видим сегодня в космосе, была бы совсем другой без темной материи.
На заре существования Вселенной все было относительно гладко. Сегодня мы можем видеть это на фоне космического микроволнового излучения — излучения, возникшего примерно через 400 000 лет после Большого взрыва. Независимо от того, в какую сторону мы смотрим, это излучение выглядит одинаково.
Но в наше время Вселенная далеко не гладкая — она довольно бугристая. Эти комки мы видим как галактики, скопления, суперкластеры и другие гигантские структуры, и между ними всегда есть относительно пустое пространство. Например, прямо по соседству с Млечным Путем находится «локальная пустота» — область непостижимого небытия, простирающаяся на сотни миллионов световых лет.
Как же Вселенная эволюционировала от супергладких к комковатым скоплениям? Это влияние темной материи.
Даже в спокойные ранние дни существования Вселенной в некоторых регионах было немного больше темной материи, чем в других. Дополнительная масса означала большую гравитацию, поэтому более плотные области притягивали обычную материю, которая, в свою очередь, притягивала все больше и больше. В конце концов, под воздействием тепла и давления эти скопления материи загорелись и превратились в звезды, что привело к образованию планетарных систем, галактик и скоплений, которые мы видим сегодня.
Тот факт, что Вселенная устроена именно так, как она устроена, является еще одним доказательством существования темной материи. Итак, мы знаем, что она есть. Но что именно она собой представляет? И как ученые ищут ее?
Стандартная физика говорит, что звезды на краях спиральной галактики должны замедляться. Но оказалось, что есть звезды, чьи скорости не подчиняются принципу расположения относительно центра. Это можно объяснить только тем, что звезды ощущают влияние невидимой темной материи в гало вокруг галактики.
Подозреваемый №2: слабо излучающие астрофизические объекты
Следующая простейшая очевидная гипотеза заключалась в том, что скрытая часть массы может содержаться в известных астрофизических компактных объектах гало, таких как слабые или потухшие звезды, белые, коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или даже массивные планеты типа Юпитера. Из-за своей малости и слабой светимости эти объекты не видны в телескоп, и вполне возможно, что их так много, что они и обеспечивают эту скрытую массу.
Когда слабо светящийся массивный объект пересекает линию нашей видимости, звезды и другие видимые объекты за ним становятся ярче из-за эффекта гравитационного линзирования (см. рисунок 4). Это явление известно как гравитационное микролинзирование. Существование таких MACHO должно было привести к огромному количеству событий микролинзирования. Однако наблюдения с помощью кругового орбитального телескопа «Хаббл» показали, что такие явления необычайно редки, а если такие объекты MACHO и существуют, то их масса составляет менее 20% от массы галактики, а никак не 95%.
Микролинзирование звезд объектами MACHO
Более того, все эти опровержения были позже подтверждены наблюдениями космического реликтового фона. Другими словами, эти наблюдения четко ограничили количество барионов (состоящих из протонов, нейтронов и кварков), которые могли быть произведены в процессе нуклеосинтеза (образования атомных ядер) в ранней Вселенной (прим. ред.). В частности, она учит, что ее барионная материя (все светящиеся звезды, облака газа и пыли) составляет по меньшей мере основную часть всей барионной материи в нашей Вселенной, и, следовательно, скрытая масса не может состоять из барионов.
Подозреваемый №3: модифицированные теории
Возвращаясь к сути вопроса, что если бы не было дополнительной массы? Что, если теория гравитации и законы Ньютона просто работают немного по-другому?
В начале я упомянул, что чем больше сила тяжести, действующая на объект (в данном случае галактику или одиночную звезду), тем больше его ускорение (закон Ньютона), а поскольку центростремительное ускорение пропорционально квадрату его скорости, его скорость также будет увеличиваться. Но что если модифицировать закон Ньютона: в 1983 году израильский физик Мордехай Милгром предложил гипотезу MOND (Modified Newtonian Dynamics), которая слегка модифицирует закон Ньютона для случая, когда ускорение достаточно мало (10-8 см/с2).
Этот метод хорошо объяснил кривые вращения, полученные Рубиным и Фордом, и кривые возрастающего вращения эллиптических галактик. Однако MOND не учитывает скопления темной материи, где ускорение галактик намного больше, чем у одиночных звезд, что оставляет вопросы без ответа. Также был предпринят ряд попыток модифицировать теорию гравитации, предлагались альтернативные подходы. В настоящее время существует широкий класс таких теорий, называемых параметрическими постньютоновскими формами, которые описываются 10 стандартными параметрами, учитывающими отклонения от нормальной гравитации.
Некоторые из этих теорий избавляют от проблемы «скрытой массы», но они также приводят к другим проблемам. Например, хроматичность (частотная зависимость отклонения света) массивных фотонов и гравитационное линзирование, которое, конечно, не может быть подтверждено наблюдениями. В любом случае, ни одна из теорий пока не подтверждена наблюдениями. Таким образом, из всех возможных гипотез остается только одна (пусть и изначально экзотическая), согласующаяся с экспериментом: темная материя — это небарионная частица (т.е. частица, не состоящая из кварков). В теории существует множество таких кандидатов (см. рисунок 5), но в целом их можно разделить на две категории: холодная темная материя и горячая темная материя.
Порядок массы кандидатов в темную материю (из работы В. Тримбла, 1987).
Если темная материя или темная энергия взаимодействует с космическим микроволновым фоновым светом таким образом, что нарушается симметрия четности, мы сможем найти следы этого в данных о поляризации.
Изучение тёмной материи
Как можно изучить вещество, которое невозможно даже обнаружить? На данный момент существует три основных метода:
- Динамический. Прямое изучение радиальных скоростей галактик.
- Газодинамический. Рентгеновские исследования.
- Гравитационное линзирование. Позволяет наблюдать даже самые удаленные галактики.
Фактическое обнаружение частиц
Состав темной материи так трудно узнать, потому что ее частицы даже не имеют заряда. Но обнаружить их все же возможно с помощью двух методов:
- Прямой. Прямое изучение взаимодействия барионных частиц и частиц темной материи.
- Косвенный. Изучение последствий некоторых событий, например, аннигиляции материи.
Темная материя — одна из многих загадок вселенных, которые нам еще предстоит изучить. Единственное, что мы можем сказать сегодня наверняка, это то, что мы почти ничего не знаем о точной структуре космоса.
Или, конечно, может быть, это просто математическое недоразумение, и какая-то невидимая и неизвестная сила создает эти странные гравитационные эффекты. Что бы это ни было, охота за темной материей еще далеко не закончена.
Расширяющаяся Вселенная и темная энергия
Ситуация с темной энергией еще более запутанная, а само открытие стало непредсказуемым в 1990-х годах. Физики всегда считали, что сила гравитации работает на замедление и однажды может остановить расширение Вселенной. За измерение скорости взялись сразу две команды, и обе, к своему удивлению, обнаружили ускорение. Как будто вы подбрасываете яблоко в воздух и знаете, что оно обязательно упадет, а оно удаляется от вас все дальше и дальше.
Стало ясно, что на ускорение влияет какая-то сила. Более того, похоже, что чем шире Вселенная, тем больше «мощности» получает эта сила. Ученые решили назвать ее темной энергией.
Если темную материю можно как-то объяснить, то о темной энергии вообще ничего не известно. Некоторые считают, что это пятая фундаментальная сила — квинтэссенция.
Однако известные свойства темной энергии согласуются с космологической постоянной, созданной Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности. Эта постоянная действует как отталкивающая сила, которая противодействует гравитации и не дает пространству схлопываться. Позже Эйнштейн отказался от нее, поскольку наблюдения выявили процесс расширения Вселенной (она была рассчитана на статичность).
Но, если теперь добавить темную энергию в качестве константы, ускоряющей расширение Вселенной, можно было бы объяснить этот процесс. Но все это пока не дает понимания, почему эта странная сила вообще существует.
