Черная материя в космосе: Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении

Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении

https://ria.ru/20210603/materiya-1735411502.html

Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении

Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении — РИА Новости, 27.08.2021

Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении

Американские физики теоретически обосновали возможность существования особого типа сил, которые объясняют свойство темной материи ускользать от наблюдений. Для… РИА Новости, 27.08.2021

2021-06-03T13:11

2021-06-03T13:11

2021-08-27T13:56

наука

сша

космос — риа наука

физика

математика

астрофизика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/148303/09/1483030971_688:0:3312:1476_1920x0_80_0_0_81ec118c4f70c94914dab0ace2773316.jpg

МОСКВА, 3 июн — РИА Новости. Американские физики теоретически обосновали возможность существования особого типа сил, которые объясняют свойство темной материи ускользать от наблюдений. Для их описания авторы применили математический подход на основе принципа дополнительных измерений. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of High Energy Physics.По оценкам ученых, на темную материю приходится примерно 85 процентов материальной Вселенной. Но, в отличие от обычного вещества, темную материю нельзя ни обнаружить, ни описать ее свойства, так как она не поглощает, не отражает и не испускает свет.Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде предположили, что в пространстве-времени есть дополнительное измерение, в котором и надо искать темную материю. Эта гипотеза представляет собой вариант теории самовзаимодействующей темной материи (SIDM — Self-interacting dark matter) — согласно ей, фактически невидимые частицы взаимодействуют между собой посредством неизвестной темной силы, результате чего перестают вести себя как частицы и становятся совершенно невидимыми. «Мы живем в океане темной материи, но очень мало знаем о том, чем она может быть. Мы знаем, что она существует, но не знаем, как ее искать, и не можем объяснить, почему не обнаружили ее там, где мы этого ожидали, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Филипа Танедо (Philip Tanedo). — За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что взаимодействиями темной материи могут управлять скрытые темные силы. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темную материю».Авторы доказали, что действие темных сил, благодаря которым частицы взаимно притягиваются или отталкиваются, можно описать с помощью математической теории дополнительных измерений.»Наблюдаемая Вселенная имеет три измерения. Мы предполагаем, что может быть четвертое измерение, о котором «знают» только темные силы. Дополнительное измерение может объяснить, почему темная материя так хорошо скрывается от наших попыток изучить ее в лаборатории», — говорит ученый. Исследователи отмечают, что, хотя дополнительные измерения могут показаться экзотической идеей, на самом деле это известный математический прием для описания трехмерных квантово-механических полей, не содержащих обычных частиц. В математике он называется голографическим принципом. Считается, что для описания природных систем он не подходит. Обычные силы описываются одним типом частиц с фиксированной массой. Ключевая особенность предложенной авторами теории заключается в том, что частицы темной материи описываются как континуум — бесконечное количество с разными массами.По словам авторов, предыдущие модели темной материи строились на теориях, имитирующих поведение видимых частиц. Но в реальном мире не существует аналогов темных сил, и реальная материя может не взаимодействовать с ними.Исследователи называют свою модель «континуумной» версией теории самовзаимодействующей темной материи. В отличие от классического варианта, в ней описываются взаимодействия не одинаковых частиц, а их континуума. «Наша модель идет дальше и упрощает объяснение космического происхождения темной материи, чем модель самовзаимодействующей темной материи. Это более реалистичная картина для темной силы», — заключил Танедо.

https://ria.ru/20210423/astronomy-1729637705.html

https://ria.ru/20210201/galo-1595533344.html

сша

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/148303/09/1483030971_1016:0:2984:1476_1920x0_80_0_0_495b1cb03b041c8de218929831a5e863.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, космос — риа наука, физика, математика, астрофизика

Наука, США, Космос — РИА Наука, Физика, математика, астрофизика

МОСКВА, 3 июн — РИА Новости. Американские физики теоретически обосновали возможность существования особого типа сил, которые объясняют свойство темной материи ускользать от наблюдений. Для их описания авторы применили математический подход на основе принципа дополнительных измерений. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of High Energy Physics.

По оценкам ученых, на темную материю приходится примерно 85 процентов материальной Вселенной. Но, в отличие от обычного вещества, темную материю нельзя ни обнаружить, ни описать ее свойства, так как она не поглощает, не отражает и не испускает свет.

Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде предположили, что в пространстве-времени есть дополнительное измерение, в котором и надо искать темную материю. Эта гипотеза представляет собой вариант теории самовзаимодействующей темной материи (SIDM — Self-interacting dark matter) — согласно ей, фактически невидимые частицы взаимодействуют между собой посредством неизвестной темной силы, результате чего перестают вести себя как частицы и становятся совершенно невидимыми.

«Мы живем в океане темной материи, но очень мало знаем о том, чем она может быть. Мы знаем, что она существует, но не знаем, как ее искать, и не можем объяснить, почему не обнаружили ее там, где мы этого ожидали, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Филипа Танедо (Philip Tanedo). — За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что взаимодействиями темной материи могут управлять скрытые темные силы. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темную материю».

23 апреля 2021, 14:31Наука

Астрономы придумали необычный способ поиска темной материи

Авторы доказали, что действие темных сил, благодаря которым частицы взаимно притягиваются или отталкиваются, можно описать с помощью математической теории дополнительных измерений.

«Наблюдаемая Вселенная имеет три измерения. Мы предполагаем, что может быть четвертое измерение, о котором «знают» только темные силы. Дополнительное измерение может объяснить, почему темная материя так хорошо скрывается от наших попыток изучить ее в лаборатории», — говорит ученый.

Исследователи отмечают, что, хотя дополнительные измерения могут показаться экзотической идеей, на самом деле это известный математический прием для описания трехмерных квантово-механических полей, не содержащих обычных частиц. В математике он называется голографическим принципом. Считается, что для описания природных систем он не подходит.

Обычные силы описываются одним типом частиц с фиксированной массой. Ключевая особенность предложенной авторами теории заключается в том, что частицы темной материи описываются как континуум — бесконечное количество с разными массами.

По словам авторов, предыдущие модели темной материи строились на теориях, имитирующих поведение видимых частиц. Но в реальном мире не существует аналогов темных сил, и реальная материя может не взаимодействовать с ними.

Исследователи называют свою модель «континуумной» версией теории самовзаимодействующей темной материи. В отличие от классического варианта, в ней описываются взаимодействия не одинаковых частиц, а их континуума.

«Наша модель идет дальше и упрощает объяснение космического происхождения темной материи, чем модель самовзаимодействующей темной материи. Это более реалистичная картина для темной силы», — заключил Танедо.

1 февраля 2021, 19:00Наука

У карликовой галактики обнаружили огромное гало темной материи

Темная материя — невидимая и неуловимая

Чем дольше остается нерешенной загадка темной материи, тем больше появляется экзотических гипотез о ее природе, включая новейшую идею о наследовании гигантских черных дыр у предыдущей Вселенной.

Александр Березин

Для того чтобы знать, что нечто существует, видеть его необязательно. Так когда-то по гравитационному влиянию на движение Урана были открыты Нептун и Плутон, а сегодня ведется поиск гипотетической Планеты Икс на дальних окраинах Солнечной системы. Но как быть, если такое влияние мы обнаруживаем повсюду во Вселенной? Взять хотя бы галактики. Казалось бы, если галактический диск вращается, то скорость звезд должна уменьшаться с ростом орбиты. Именно так, например, обстоит дело с планетами Солнечной системы: Земля несется вокруг Солнца на 29,8 км/с, а Плутон – на 4,7 км/с. Однако уже в 1930-х наблюдения за туманностью Андромеды показали, что скорость вращения ее звезд остается почти постоянной, как бы далеко на периферии они ни находились. Такая ситуация типична для галактик, и в числе других причин она привела к появлению концепции темной материи.

Карнавал проблем

Считается, что напрямую мы ее не видим: это загадочное вещество практически не взаимодействует с обычными частицами, в том числе не испускает и не поглощает фотоны, – но можем заметить по гравитационному влиянию на другие тела. Наблюдения за движениями звезд и облаков газа позволяют составлять детальные карты гало темной материи, окружающей диск Млечного Пути, говорить о важной роли, которую она играет в эволюции галактик, скоплений и всей крупномасштабной структуры Вселенной. Однако дальше начинаются трудности. Чем является эта таинственная темная материя? Из чего состоит и какими свойствами обладают ее частицы?

Главными кандидатами на эту роль уже многие годы остаются вимпы – гипотетические частицы, неспособные участвовать ни в каких взаимодействиях, кроме гравитационного. Обнаружить их пытаются как косвенно, по продуктам редких взаимодействий с обычной материей, так и напрямую, с помощью мощнейших инструментов, включая Большой адронный коллайдер. Увы, в обоих случаях результатов нет.

«Вариант, при котором БАК найдет только бозон Хиггса и ничего больше, недаром назвали «кошмарным сценарием», – говорит профессор Франкфуртского университета Сабина Хоссенфельдер. – То, что признаков новой физики не обнаружилось, служит мне однозначным сигналом: что-то тут неправильно». Уловили этот сигнал и другие ученые. После опубликования отрицательных результатов поисков следов темной материи с помощью БАК и других инструментов интерес к альтернативным гипотезам о ее природе явно растет. И некоторые из этих решений выглядят даже экзотичнее бразильского карнавала.

Мириады дыр

Что, если вимпов не существует? Если темная материя – это вещество, которое мы не можем увидеть, но видим эффекты его гравитации, то, быть может, это просто черные дыры? Теоретически на самых ранних этапах эволюции Вселенной они могли образоваться в огромном количестве – не из погибших звезд-гигантов, а в результате коллапса сверхплотной и горячей материи, заполнявшей раскаленный космос. Одна беда: до сих пор не удалось найти ни одной первичной черной дыры, и достоверно неизвестно, существовали ли они когда-нибудь вообще. Впрочем, во Вселенной достаточно и других черных дыр, подходящих на эту роль.

Начиная с 2015 года интерферометр LIGO зарегистрировал уже 11 гравитационных волн, и 10 из них были вызваны слияниями пар черных дыр массами в десятки масс Солнца. Само по себе это крайне неожиданно, ведь подобные объекты образуются в результате взрывов сверхновых, и погибшая звезда теряет при этом большую часть своей массы. Получается, что предшественниками слившихся дыр были звезды действительно циклопических размеров, какие уже давно не должны рождаться во Вселенной. Другую проблему создает образование ими двойных систем. Взрыв сверхновой – событие настолько мощное, что любой близкий объект будет выброшен далеко прочь. Иными словами, LIGO зарегистрировал гравитационные волны от объектов, появление которых остается загадкой.

В конце 2018 года к таким объектам обратились астрофизик Гринвичского научно-технологического института Николай Горькавый и нобелевский лауреат Джон Мазер. Их расчеты показали, что черные дыры массами в десятки масс Солнца вполне могли бы сложить галактическое гало, которое останется практически невидимым для наблюдений и при этом создаст все характерные аномалии в строении и движении галактик. Казалось бы, откуда на далекой периферии галактики взяться нужному количеству таких больших черных дыр? Ведь подавляющее большинство массивных звезд рождается и гибнет ближе к центру. Ответ Горькавый и Мазер дают почти невероятный: эти черные дыры не «взялись», они в определенном смысле существовали всегда, с самого начала Вселенной. Это остатки предыдущего цикла в бесконечной череде расширений и сжатий мира.

Реликты перерождений

Вообще, Большой отскок – модель в космологии не новая, хотя и недоказанная, существующая наравне со множеством других гипотез эволюции космоса. Возможно, что в жизни мироздания периоды расширения действительно сменяются сжатием, «Большим схлопыванием» – и новым отскоком-взрывом, рождением мира следующего поколения. Однако в новой модели этими циклами дирижируют черные дыры, выступая в роли и темной материи, и темной энергии – таинственной субстанции или силы, вызывающей ускоренное расширение нашей Вселенной. 

Предполагается, что, поглощая вещество и сливаясь друг с другом, черные дыры могут накапливать все большую часть от общей массы Вселенной. Это должно приводить к замедлению ее расширения и затем к сжатию. С другой стороны, при слиянии черных дыр значительная часть их массы теряется с энергией гравитационных волн. Поэтому образующаяся в результате дыра будет легче суммы своих бывших слагаемых (например, первая зарегистрированная LIGO гравитационная волна родилась при слиянии черных дыр массами 36 и 29 солнечных с образованием дыры массой «всего лишь» 62 солнечных). Так может терять массу и Вселенная, сжимаясь и заполняясь все более крупными черными дырами, включая одну самую большую – центральную.

Наконец, после долгой череды слияний черных дыр, когда значительная часть массы Вселенной «утечет» в виде гравитационных волн, она начнет разлетаться во все стороны. Со стороны это будет похоже на взрыв – Большой взрыв. В отличие от классической картины Большого отскока, полного уничтожения предыдущего мира в такой модели не происходит, а новая Вселенная напрямую наследует некоторые объекты у материнской. Прежде всего это все те же черные дыры, готовые снова сыграть в ней обе главные роли – и темной материи, и темной энергии.

Великая праматерь

Итак, в этой необычной картине темной материей оказываются крупные черные дыры, передающиеся по наследству от Вселенной к Вселенной. Но нельзя забывать и о «центральной» черной дыре, которая должна формироваться в каждом таком мире накануне его гибели и сохраняться в следующем. Расчеты астрофизиков показали, что ее масса в нашем сегодняшнем космосе может достигать невероятных 6 х 1051 кг, 1/20 от массы всей барионной материи, – и непрерывно увеличиваться. Ее рост может приводить ко все более быстрому растяжению пространства-времени и проявляться как ускоряющееся расширение Вселенной.

Конечно, присутствие такой циклопической массы должно приводить к появлению заметных неоднородностей в крупномасштабной структуре Вселенной. Кандидат на такую неоднородность уже имеется – астрономическая Ось зла. Это сравнительно слабые, но весьма тревожные признаки анизотропии Вселенной – структурированности, которая проявляется в ней на самых больших масштабах и никак не согласуется с классическими взглядами на Большой взрыв и все, происходившее после него.

Попутно экзотическая гипотеза решает и еще одну астрономическую загадку – проблему неожиданно раннего появления сверхмассивных черных дыр. Такие объекты расположены в центрах крупных галактик и неизвестным пока способом успели набрать массу в миллионы и даже миллиарды масс Солнца уже в первые 1–2 млрд лет существования Вселенной. Неясно, где они могли бы в принципе найти столько вещества и тем более когда могли бы успеть его поглотить. Но в рамках идеи с «наследуемыми» черными дырами эти вопросы снимаются, ведь зародыши их могли достаться нам еще от прошлой Вселенной. 

Жаль, что экстравагантная гипотеза Горькавого пока всего лишь гипотеза. Чтобы она стала полноценной теорией, нужно, чтобы ее предсказания совпали с данными наблюдений – причем с такими, которые невозможно объяснить традиционными моделями. Конечно, будущие исследования позволят сверить фантастические выкладки с реальной действительностью, но случится это явно не в ближайшее время. Поэтому пока вопросы о том, где скрывается темная материя и что такое темная энергия, остаются без ответа.

Что такое темная материя? | Космос

Темная материя распределена во Вселенной по сетке
(Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)

Более 80% всей материи во Вселенной состоит из материалов, которые ученые никогда не видели. Это называется темной материей, и мы только предполагаем, что она существует, потому что без нее поведение звезд, планет и галактик просто не имело бы смысла. Вот что мы знаем об этом, или, скорее, то, что мы думаем, что знаем.

Что такое темная материя и почему она невидима?

Темная материя полностью невидима. Он не излучает ни света, ни энергии и поэтому не может быть обнаружен обычными датчиками и детекторами. Ученые считают, что ключ к его неуловимой природе должен лежать в его составе.

Видимая материя, также называемая барионной материей, состоит из барионов — общего названия субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. Ученые только предполагают, из чего состоит темная материя. Он может состоять из барионов, а может быть и небарионным, то есть состоящим из разных типов частиц.

Большинство ученых считают, что темная материя состоит из небарионной материи. Ведущий кандидат, WIMPS (слабо взаимодействующие массивные частицы), как полагают, имеет массу от десяти до ста раз больше массы протона, но их слабое взаимодействие с «нормальным» веществом затрудняет их обнаружение. Нейтралино, массивные гипотетические частицы, более тяжелые и более медленные, чем нейтрино, являются главными кандидатами, хотя их еще предстоит обнаружить.

Стерильные нейтрино — еще один кандидат. Нейтрино — это частицы, которые не составляют обычную материю. Река нейтрино вытекает из солнца , но поскольку они редко взаимодействуют с нормальной материей, они проходят через Землю и ее обитателей.

Есть три известных типа нейтрино; четвертый, стерильное нейтрино, предлагается в качестве кандидата на темную материю. Стерильное нейтрино будет взаимодействовать с обычным веществом только через гравитацию .

«Один из нерешенных вопросов заключается в том, существует ли закономерность для фракций, составляющих каждый вид нейтрино», — Тайс ДеЯнг, адъюнкт-профессор физики и астрономии Мичиганского государственного университета и сотрудник 9Обсерватория 0011 IceCube нейтрино в Антарктиде, сообщил Space.com.

Меньший нейтральный аксион и незаряженные фотино — обе теоретические частицы — также являются потенциальными заполнителями темной материи.

Существует также такая вещь, как антиматерия , которая не то же самое, что темная материя. Антиматерия состоит из частиц, которые по сути такие же, как частицы видимой материи, но с противоположными электрическими зарядами. Эти частицы называются антипротонами и позитронами (или антиэлектронами). Когда античастицы сталкиваются с частицами, происходит взрыв, в результате которого два типа материи нейтрализуют друг друга. Потому что мы живем в 9Вселенная 0011 состоит из материи, очевидно, что антиматерии вокруг не так много, иначе не осталось бы ничего. В отличие от темной материи, физики могут производить антиматерию в своих лабораториях.

Связанные : Галерея изображений: Темная материя во Вселенной

Почему мы думаем, что темная материя существует?

Но если мы не можем видеть темную материю, откуда мы знаем, что она существует? Ответ — гравитация, сила, действующая на объекты, состоящие из материи, пропорциональная их массе. С 19В 20-х годах астрономы выдвинули гипотезу, что Вселенная должна содержать больше материи, чем мы можем видеть, потому что гравитационные силы, которые, кажется, действуют во Вселенной, просто кажутся сильнее, чем можно было бы объяснить только видимой материей.

«Движение звезд говорит вам, сколько существует материи», — сказал Питер ван Доккум, исследователь из Йельского университета, в заявлении . «Им все равно, в какой форме материя, они просто говорят вам, что она есть».

Астрономы, изучавшие спиральные галактики в 1970-х годах, ожидали, что вещество в центре будет двигаться быстрее, чем на внешних краях. Вместо этого они обнаружили, что звезд в обоих местах движутся с одинаковой скоростью, что указывает на то, что галактики содержат больше массы, чем можно было увидеть.

Исследования газа в эллиптических галактиках также показали потребность в большей массе, чем в видимых объектах. Скопления галактик разлетались бы на части, если бы единственная масса, которую они содержали, была массой, видимой для обычных астрономических измерений.

Различные галактики содержат разное количество темной материи. В 2016 году группа под руководством Ван Доккума обнаружила галактику под названием Dragonfly 44 , которая, похоже, почти полностью состоит из темной материи. С другой стороны, с 2018 года астрономы обнаружили несколько галактик , в которых, похоже, вообще отсутствует темная материя .

Сила гравитации влияет не только на орбиты звезд в галактиках, но и на траекторию света. Знаменитый физик Альберт Эйнштейн в начале 20 века показал, что массивные объекты во Вселенной искривляются и искажают свет из-за силы их гравитации. Явление называется гравитационное линзирование . Изучая, как свет искажается скоплениями галактик, астрономы смогли создать карту темной материи во Вселенной.

Подавляющее большинство астрономического сообщества сегодня признает существование темной материи.

«Несколько астрономических измерений подтвердили существование темной материи, что привело к усилиям по наблюдению непосредственного взаимодействия частиц темной материи с обычной материей с помощью чрезвычайно чувствительных детекторов, что подтвердит ее существование и прольет свет на ее свойства», Национальная лаборатория Гран-Сассо в Италии (LNGS) сообщила, что в выписке (откроется в новой вкладке). «Однако эти взаимодействия настолько слабы, что до сих пор избегали прямого обнаружения, что вынуждает ученых создавать детекторы, которые становятся все более и более чувствительными».

Несмотря на все доказательства, указывающие на существование темной материи, существует также вероятность того, что такой вещи все-таки не существует и что законы гравитации, описывающие движение объектов в пределах солнечной системы , требуют пересмотра.

Темная материя, по-видимому, распространяется по космосу в виде сети, при этом скопления галактик формируются в узлах, где пересекаются волокна. Подтвердив, что гравитация действует одинаково как внутри, так и за пределами нашей Солнечной системы, исследователи предоставили дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии. (Изображение предоставлено WGBH)

Откуда берется темная материя?

Темная материя, по-видимому, распространяется по космосу в виде сети, с скоплениями галактик, образующимися в узлах, где пересекаются волокна. Подтвердив, что гравитация действует одинаково как внутри, так и за пределами нашей Солнечной системы, исследователи предоставили дополнительные доказательства существования темной материи. (Все еще сложнее, так как в дополнение к темной материи оказывается еще темная энергия , невидимая сила, отвечающая за расширение Вселенной, которая действует против гравитации.)

Но откуда берется темная материя? Очевидный ответ: мы не знаем. Но есть несколько теорий. В исследовании , опубликованном в декабре 2021 года в The Astrophysical Journal, утверждается, что темная материя может быть сосредоточена в черных дырах , мощных вратах в ничто, которые из-за чрезвычайной силы гравитации пожирают все вокруг себя. Таким образом, темная материя должна была быть создана в Большой взрыв вместе со всеми другими составляющими элементами Вселенной, какой мы ее видим сегодня.

Звездные остатки, такие как белые карлики и нейтронные звезды , также считаются содержащими большое количество темной материи, как и так называемые собственные карлики накопить достаточно материала, чтобы запустить ядерный синтез в своих ядрах.

Темная материя в центре галактики (Изображение предоставлено Маттиа Ди Мауро (ESO/Fermi-Lat))

Как ученые изучают темную материю?

Поскольку мы не можем видеть темную материю, можем ли мы ее изучать? Есть два способа узнать больше об этом таинственном материале. Астрономы изучают распределение темной материи во Вселенной, наблюдая за скоплением материи и движением объектов во Вселенной. Физики элементарных частиц, с другой стороны, стремятся обнаружить фундаментальные частицы, составляющие темную материю.

Эксперимент, установленный на Международной космической станции под названием Альфа-магнитный спектрометр (AMS) обнаруживает антивещество в космических лучах. С 2011 года на него обрушилось более 100 миллиардов космических лучей, что дает захватывающее представление о составе частиц, пересекающих Вселенную.

«Мы измерили избыток позитронов [аналог антивещества электрону], и этот избыток может исходить от темной материи», — сказал Space. com Сэмюэл Тинг, ведущий научный сотрудник AMS и лауреат Нобелевской премии Массачусетского технологического института. . «Но на данный момент нам все еще нужно больше данных, чтобы убедиться, что это из темной материи, а не из каких-то странных астрофизических источников. Это потребует от нас еще нескольких лет».

На Земле, под горой в Италии, LNGS XENON1T ищет признаки взаимодействия после столкновения вимпов с атомами ксенона.

«С XENON1T только что начался новый этап в гонке за обнаружением темной материи массивными детекторами со сверхнизким фоном на Земле», — заявила представитель проекта Елена Априле, профессор Колумбийского университета. вкладку). «Мы гордимся тем, что находимся в авангарде гонки с этим удивительным детектором, первым в своем роде».

Большой подземный ксеноновый эксперимент с темной материей (LUX), расположенный в золотом руднике в Южной Дакоте, также охотился на признаки взаимодействия вимпов и ксенона. Но до сих пор прибор не раскрыл загадочную материю.

«Хотя положительный сигнал и был бы кстати, природа оказалась не так добра!» Об этом говорится в заявлении Чам Гага, физика из Университетского колледжа Лондона и сотрудника LUX. «Тем не менее, нулевой результат имеет большое значение, поскольку он меняет ландшафт поля, ограничивая модели того, чем может быть темная материя помимо всего, что существовало ранее».

Связанное содержание:

Нейтринная обсерватория IceCube, эксперимент, погребенный под ледяной поверхностью Антарктиды, охотится за гипотетическими стерильными нейтрино. Стерильные нейтрино взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации, что делает ее сильным кандидатом на темную материю.

Эксперименты, направленные на обнаружение неуловимых частиц темной материи, также проводятся в мощных коллайдерах частиц Европейской организации ядерных исследований (CERN) в Швейцарии.

Несколько телескопов на орбите Земли охотятся за эффектами темной материи. Космический аппарат Planck Европейского космического агентства , выведенный из эксплуатации в 2013 году, провел четыре года в точке Лагранжа 2 (точке на орбите вокруг Солнца, где космический корабль сохраняет устойчивое положение относительно Земли), картируя распределение космический микроволновый фон, реликт Большого Взрыва, во Вселенной. Неравномерности в распределении этого микроволнового фона дали ключ к разгадке распределение темной материи (откроется в новой вкладке).

В 2014 году космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» составил карты сердца нашей галактики Млечный Путь в гамма-излучении, выявив избыток гамма-излучения, исходящего от ее ядра.

«Обнаруженный нами сигнал не может быть объяснен предложенными в настоящее время альтернативами и полностью согласуется с предсказаниями очень простых моделей темной материи», — сказал Space.com ведущий автор Дэн Хупер, астрофизик из Фермилаб в Иллинойсе.

Избыток можно объяснить аннигиляцией частиц темной материи с массой от 31 до 40 миллиардов электрон-вольт, говорят исследователи. Результат сам по себе недостаточен, чтобы считаться неопровержимым доказательством темной материи. Для подтверждения интерпретации потребуются дополнительные данные из других проектов наблюдений или экспериментов по прямому обнаружению.

Космический телескоп Джеймса Уэбба , запущенный после 30 лет разработки 25 декабря 2021 года, также должен внести свой вклад в поиски неуловимого вещества. Благодаря своим инфракрасным глазам, способным видеть начало времен, телескоп века не сможет увидеть темную материю напрямую, но, наблюдая за эволюцией галактик с самых ранних стадий Вселенной, он, как ожидается, даст представление что раньше было невозможно.

Дополнительные ресурсы

Вы можете узнать больше о темной материи на веб-сайте Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми США (Fermilab), которая проводит высокоэнергетические эксперименты в передовых коллайдерах частиц с целью обнаружения частиц, которые могли бы заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Европейская организация ядерных исследований (CERN ), крупнейшая лаборатория физики элементарных частиц в мире, также занимается поиском пропавших частиц темной материи. НАСА обсуждает разницу между темной материей и темной энергией в эта статья .

Библиография

НАСА, темная энергия, темная материя

https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy

Клегг, Б. Темная материя и темная энергия : The Hidden 95% of the Universe, Icon Books, август 2019 г.

ЦЕРН, Dark Matter

https://home.cern/science/physics/dark-matter

Эта статья была обновлена ​​28 января 2022 г. Старший писатель Space.com Тереза ​​Пултарова.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected]

Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Твиттере @NolaTRedd

Что такое темная материя? | Космос

Темная материя распределена во Вселенной по сетке
(Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)

Более 80% всей материи во Вселенной состоит из материалов, которые ученые никогда не видели. Это называется темной материей, и мы только предполагаем, что она существует, потому что без нее поведение звезд, планет и галактик просто не имело бы смысла. Вот что мы знаем об этом, или, скорее, то, что мы думаем, что знаем.

Что такое темная материя и почему она невидима?

Темная материя полностью невидима. Он не излучает ни света, ни энергии и поэтому не может быть обнаружен обычными датчиками и детекторами. Ученые считают, что ключ к его неуловимой природе должен лежать в его составе.

Видимая материя, также называемая барионной материей, состоит из барионов — общего названия субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. Ученые только предполагают, из чего состоит темная материя. Он может состоять из барионов, а может быть и небарионным, то есть состоящим из разных типов частиц.

Большинство ученых считают, что темная материя состоит из небарионной материи. Ведущий кандидат, WIMPS (слабо взаимодействующие массивные частицы), как полагают, имеет массу от десяти до ста раз больше массы протона, но их слабое взаимодействие с «нормальным» веществом затрудняет их обнаружение. Нейтралино, массивные гипотетические частицы, более тяжелые и более медленные, чем нейтрино, являются главными кандидатами, хотя их еще предстоит обнаружить.

Стерильные нейтрино — еще один кандидат. Нейтрино — это частицы, которые не составляют обычную материю. Река нейтрино вытекает из солнца , но поскольку они редко взаимодействуют с нормальной материей, они проходят через Землю и ее обитателей.

Есть три известных типа нейтрино; четвертый, стерильное нейтрино, предлагается в качестве кандидата на темную материю. Стерильное нейтрино будет взаимодействовать с обычным веществом только через гравитацию .

«Один из нерешенных вопросов заключается в том, существует ли закономерность для фракций, составляющих каждый вид нейтрино», — Тайс ДеЯнг, адъюнкт-профессор физики и астрономии Мичиганского государственного университета и сотрудник 9Обсерватория 0011 IceCube нейтрино в Антарктиде, сообщил Space.com.

Меньший нейтральный аксион и незаряженные фотино — обе теоретические частицы — также являются потенциальными заполнителями темной материи.

Существует также такая вещь, как антиматерия , которая не то же самое, что темная материя. Антиматерия состоит из частиц, которые по сути такие же, как частицы видимой материи, но с противоположными электрическими зарядами. Эти частицы называются антипротонами и позитронами (или антиэлектронами). Когда античастицы сталкиваются с частицами, происходит взрыв, в результате которого два типа материи нейтрализуют друг друга. Потому что мы живем в 9Вселенная 0011 состоит из материи, очевидно, что антиматерии вокруг не так много, иначе не осталось бы ничего. В отличие от темной материи, физики могут производить антиматерию в своих лабораториях.

Связанные : Галерея изображений: Темная материя во Вселенной

Почему мы думаем, что темная материя существует?

Но если мы не можем видеть темную материю, откуда мы знаем, что она существует? Ответ — гравитация, сила, действующая на объекты, состоящие из материи, пропорциональная их массе. С 19В 20-х годах астрономы выдвинули гипотезу, что Вселенная должна содержать больше материи, чем мы можем видеть, потому что гравитационные силы, которые, кажется, действуют во Вселенной, просто кажутся сильнее, чем можно было бы объяснить только видимой материей.

«Движение звезд говорит вам, сколько существует материи», — сказал Питер ван Доккум, исследователь из Йельского университета, в заявлении . «Им все равно, в какой форме материя, они просто говорят вам, что она есть».

Астрономы, изучавшие спиральные галактики в 1970-х годах, ожидали, что вещество в центре будет двигаться быстрее, чем на внешних краях. Вместо этого они обнаружили, что звезд в обоих местах движутся с одинаковой скоростью, что указывает на то, что галактики содержат больше массы, чем можно было увидеть.

Исследования газа в эллиптических галактиках также показали потребность в большей массе, чем в видимых объектах. Скопления галактик разлетались бы на части, если бы единственная масса, которую они содержали, была массой, видимой для обычных астрономических измерений.

Различные галактики содержат разное количество темной материи. В 2016 году группа под руководством Ван Доккума обнаружила галактику под названием Dragonfly 44 , которая, похоже, почти полностью состоит из темной материи. С другой стороны, с 2018 года астрономы обнаружили несколько галактик , в которых, похоже, вообще отсутствует темная материя .

Сила гравитации влияет не только на орбиты звезд в галактиках, но и на траекторию света. Знаменитый физик Альберт Эйнштейн в начале 20 века показал, что массивные объекты во Вселенной искривляются и искажают свет из-за силы их гравитации. Явление называется гравитационное линзирование . Изучая, как свет искажается скоплениями галактик, астрономы смогли создать карту темной материи во Вселенной.

Подавляющее большинство астрономического сообщества сегодня признает существование темной материи.

«Несколько астрономических измерений подтвердили существование темной материи, что привело к усилиям по наблюдению непосредственного взаимодействия частиц темной материи с обычной материей с помощью чрезвычайно чувствительных детекторов, что подтвердит ее существование и прольет свет на ее свойства», Национальная лаборатория Гран-Сассо в Италии (LNGS) сообщила, что в выписке (откроется в новой вкладке). «Однако эти взаимодействия настолько слабы, что до сих пор избегали прямого обнаружения, что вынуждает ученых создавать детекторы, которые становятся все более и более чувствительными».

Несмотря на все доказательства, указывающие на существование темной материи, существует также вероятность того, что такой вещи все-таки не существует и что законы гравитации, описывающие движение объектов в пределах солнечной системы , требуют пересмотра.

Темная материя, по-видимому, распространяется по космосу в виде сети, при этом скопления галактик формируются в узлах, где пересекаются волокна. Подтвердив, что гравитация действует одинаково как внутри, так и за пределами нашей Солнечной системы, исследователи предоставили дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии. (Изображение предоставлено WGBH)

Откуда берется темная материя?

Темная материя, по-видимому, распространяется по космосу в виде сети, с скоплениями галактик, образующимися в узлах, где пересекаются волокна. Подтвердив, что гравитация действует одинаково как внутри, так и за пределами нашей Солнечной системы, исследователи предоставили дополнительные доказательства существования темной материи. (Все еще сложнее, так как в дополнение к темной материи оказывается еще темная энергия , невидимая сила, отвечающая за расширение Вселенной, которая действует против гравитации.)

Но откуда берется темная материя? Очевидный ответ: мы не знаем. Но есть несколько теорий. В исследовании , опубликованном в декабре 2021 года в The Astrophysical Journal, утверждается, что темная материя может быть сосредоточена в черных дырах , мощных вратах в ничто, которые из-за чрезвычайной силы гравитации пожирают все вокруг себя. Таким образом, темная материя должна была быть создана в Большой взрыв вместе со всеми другими составляющими элементами Вселенной, какой мы ее видим сегодня.

Звездные остатки, такие как белые карлики и нейтронные звезды , также считаются содержащими большое количество темной материи, как и так называемые собственные карлики накопить достаточно материала, чтобы запустить ядерный синтез в своих ядрах.

Темная материя в центре галактики (Изображение предоставлено Маттиа Ди Мауро (ESO/Fermi-Lat))

Как ученые изучают темную материю?

Поскольку мы не можем видеть темную материю, можем ли мы ее изучать? Есть два способа узнать больше об этом таинственном материале. Астрономы изучают распределение темной материи во Вселенной, наблюдая за скоплением материи и движением объектов во Вселенной. Физики элементарных частиц, с другой стороны, стремятся обнаружить фундаментальные частицы, составляющие темную материю.

Эксперимент, установленный на Международной космической станции под названием Альфа-магнитный спектрометр (AMS) обнаруживает антивещество в космических лучах. С 2011 года на него обрушилось более 100 миллиардов космических лучей, что дает захватывающее представление о составе частиц, пересекающих Вселенную.

«Мы измерили избыток позитронов [аналог антивещества электрону], и этот избыток может исходить от темной материи», — сказал Space. com Сэмюэл Тинг, ведущий научный сотрудник AMS и лауреат Нобелевской премии Массачусетского технологического института. . «Но на данный момент нам все еще нужно больше данных, чтобы убедиться, что это из темной материи, а не из каких-то странных астрофизических источников. Это потребует от нас еще нескольких лет».

На Земле, под горой в Италии, LNGS XENON1T ищет признаки взаимодействия после столкновения вимпов с атомами ксенона.

«С XENON1T только что начался новый этап в гонке за обнаружением темной материи массивными детекторами со сверхнизким фоном на Земле», — заявила представитель проекта Елена Априле, профессор Колумбийского университета. вкладку). «Мы гордимся тем, что находимся в авангарде гонки с этим удивительным детектором, первым в своем роде».

Большой подземный ксеноновый эксперимент с темной материей (LUX), расположенный в золотом руднике в Южной Дакоте, также охотился на признаки взаимодействия вимпов и ксенона. Но до сих пор прибор не раскрыл загадочную материю.

«Хотя положительный сигнал и был бы кстати, природа оказалась не так добра!» Об этом говорится в заявлении Чам Гага, физика из Университетского колледжа Лондона и сотрудника LUX. «Тем не менее, нулевой результат имеет большое значение, поскольку он меняет ландшафт поля, ограничивая модели того, чем может быть темная материя помимо всего, что существовало ранее».

Связанное содержание:

Нейтринная обсерватория IceCube, эксперимент, погребенный под ледяной поверхностью Антарктиды, охотится за гипотетическими стерильными нейтрино. Стерильные нейтрино взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации, что делает ее сильным кандидатом на темную материю.

Эксперименты, направленные на обнаружение неуловимых частиц темной материи, также проводятся в мощных коллайдерах частиц Европейской организации ядерных исследований (CERN) в Швейцарии.

Несколько телескопов на орбите Земли охотятся за эффектами темной материи. Космический аппарат Planck Европейского космического агентства , выведенный из эксплуатации в 2013 году, провел четыре года в точке Лагранжа 2 (точке на орбите вокруг Солнца, где космический корабль сохраняет устойчивое положение относительно Земли), картируя распределение космический микроволновый фон, реликт Большого Взрыва, во Вселенной. Неравномерности в распределении этого микроволнового фона дали ключ к разгадке распределение темной материи (откроется в новой вкладке).

В 2014 году космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» составил карты сердца нашей галактики Млечный Путь в гамма-излучении, выявив избыток гамма-излучения, исходящего от ее ядра.

«Обнаруженный нами сигнал не может быть объяснен предложенными в настоящее время альтернативами и полностью согласуется с предсказаниями очень простых моделей темной материи», — сказал Space.com ведущий автор Дэн Хупер, астрофизик из Фермилаб в Иллинойсе.

Избыток можно объяснить аннигиляцией частиц темной материи с массой от 31 до 40 миллиардов электрон-вольт, говорят исследователи. Результат сам по себе недостаточен, чтобы считаться неопровержимым доказательством темной материи. Для подтверждения интерпретации потребуются дополнительные данные из других проектов наблюдений или экспериментов по прямому обнаружению.

Космический телескоп Джеймса Уэбба , запущенный после 30 лет разработки 25 декабря 2021 года, также должен внести свой вклад в поиски неуловимого вещества. Благодаря своим инфракрасным глазам, способным видеть начало времен, телескоп века не сможет увидеть темную материю напрямую, но, наблюдая за эволюцией галактик с самых ранних стадий Вселенной, он, как ожидается, даст представление что раньше было невозможно.

Дополнительные ресурсы

Вы можете узнать больше о темной материи на веб-сайте Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми США (Fermilab), которая проводит высокоэнергетические эксперименты в передовых коллайдерах частиц с целью обнаружения частиц, которые могли бы заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Европейская организация ядерных исследований (CERN ), крупнейшая лаборатория физики элементарных частиц в мире, также занимается поиском пропавших частиц темной материи. НАСА обсуждает разницу между темной материей и темной энергией в эта статья .

Библиография

НАСА, темная энергия, темная материя

https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy

Клегг, Б.