Что такое черная материя: Темная материя — все самое интересное на ПостНауке

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.

Это название не описывает, как выглядит эта странная вещь — оно получает такое название, потому что не поглощает, не отражает и не преломляет свет, делая его фактически невидимым. И нет ничего, что могло бы объяснить это в Стандартной модели физики элементарных частиц, которая остается нашей лучшей теорией о Вселенной.

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?

Ответ гравитация.

Откуда мы знаем, что темная материя существует?

Считается, что темная материя пронизывает вселенную — так почему же мы ее еще не нашли? И откуда мы вообще знаем, что она там?

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.

Поэтому мы знаем, что темная материя есть. Но становится все более странно — Вселенная, как мы знаем, не могла бы существовать без темной материи.

Темная история вселенной

Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру вселенной, которую мы видим сегодня.

Точно так же, как и обычные вещи, темная материя, как полагают, была создана во время Большого взрыва — или, как предполагает одна из теорий, еще до него, в период космологической инфляции. В любом случае структура, которую мы видим сегодня в космосе, без темной материи была бы совсем другой.

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.

Но в наше время вселенная далеко не гладкая — она ​​довольно комковатая. Эти комки — то, что 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 ничто, простирающаяся на сотни миллионов световых лет.

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.

«Теоретики очень искусны в том, чтобы придумывать предположения о том, чем может быть темная материя, и большинство из них — очень разумные предположения. Таким образом, они все могут быть правдой в принципе — но не все они будут правдой сразу. И поэтому нам нужно провести эксперименты и астрономические наблюдения, чтобы попытаться сузить возможности и прийти к истине», — говорит нам Раймонд Волкас, профессор теоретической физики частиц в Мельбурнском университете.

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.

В физике законы сохранения энергии и импульса гласят, что в изолированной системе ни энергия, ни импульс не могут быть созданы или разрушены. Они могут менять форму, но сумма останется неизменной. Таким образом, ученые могут вычислить, сколько энергии и импульса поступило до столкновения протона, и измерить, сколько есть после этого. Если чего-то не хватает, это говорит о том, что нечто — как темная материя — ускользнуло и унесло эту энергию или импульс.

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

Объект XENON1T, слева — резервуар для воды, в котором находится сам инструмент, с плакатом, показывающим, что находится внутри, справа — трехэтажное служебное здание.

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.

«LHC чувствителен только к некоторым видам темной материи», — говорит Волкас. «Есть другие разумные кандидаты темной материи, для которых LHC — неправильный эксперимент. Другой способ поиска темной материи — эксперименты по прямому обнаружению. Таким образом, идея заключается в том, что вы берете достаточно большой детектор, вы помещаете его в очень тихую обстановку, свободную от фоновых воздействий, которые могут имитировать ваш сигнал темной материи, а затем вы просто наблюдаете за детектором и ждете, пока ядро ​​атома вздрогнет без видимой причины. Идея состоит в том, что частица темной материи пришла, ударила ядро ​​и заставила его отскочить».

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.

Вариация идеи — это то, что называют «камерой снежного кома». В этом предложении используется резервуар с чистой водой, которая переохлаждается до -20 °С. При таких отрицательных температурах малейшее нарушение молекул воды может привести к вспышке замерзания. Так что если она внезапно замерзнет без видимой причины, это может быть сигналом темной материи. Преимущество заключается в том, что вода намного дешевле и проще, чем ксенон или сверхтекучий гелий.

В других экспериментах все происходит совершенно по-другому.

Аксион — гипотетическая частица

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

К сожалению, все описанные выше эксперименты либо дали нулевые результаты по темной материи, либо пока являются чисто теоретическими. Но отсутствие сигнала не делает эксперимент полным размытием — нулевые результаты важны, чтобы помочь свести на нет в этом гигантском пространстве возможностей.

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.

Физики предложили теорию происхождения темной материи из шаров Ферми

Согласно новой теории, предложенной южнокорейскими физиками-теоретиками, темная материя родилась из шаров Ферми, квантовых «мешков» субатомных частиц, которые упаковывались в плотных «карманах» во время зарождения Вселенной. Эта теория претендует на объяснение того факта, почему темная материя стала доминировать во Вселенной над обычной, видимой материей.

Физики-теоретики из Центра теоретической физики при Сеульском национальном университете в Южной Корее предположили, что загадочная и неуловимая темная материя может состоять из так называемых шаров Ферми, оставшихся со времен Большого взрыва. Свою статью они опубликовали на сайте электронных препринтов arXiv.org.

Шары Ферми (Fermi balls) — это гипотетические космологические объекты, которые могли появиться в условиях самой ранней Вселенной за счет спонтанного нарушения симметрии и последовавшего затем фазового перехода. Их не следует путать с пузырями Ферми (Fermi bubbles) — гигантскими структурами в Млечном Пути, названными в честь космического гамма-телескопа Fermi и образовавшимися в результате активности центральной сверхмассивной черной дыры.

«Хайкеаны» и «темные миры»: на каких планетах стоит искать жизнь

Британские астрономы предложили вести поиски жизни не только на экзопланетах земного типа, но и…

26 августа 10:56

Темная материя — загадочная субстанция, взаимодействующая с обычным веществом лишь посредством гравитации и не взаимодействующая со светом. Когда-то уже высказывались гипотезы, согласно которым темная материя может состоять из крошечных черных дыр, пронизывающих Вселенную, однако числовые оценки исключали подобную возможность: количество таких черных дыр, а также черных дыр звездной массы слишком мало, чтобы сошелся «бюджет Вселенной», известный из разных экспериментальных данных (от космической обсерватории Planck, из наблюдений за сверхновыми и др.): должно быть всего 5% обычной (барионной) материи, 27% темной материи и 68% темной энергии. За всю историю Вселенной не образовалось столько звезд, чтобы они после своей гибели породили достаточное количество черных дыр, масса которых объяснила бы все количество имеющейся темной материи. На сегодняшний момент стандартной считается теория холодной темной материи, а наиболее вероятными кандидатами на роль составляющих ее частиц — пока еще не обнаруженные WIMPs — weakly interacting massive particles.

Согласно новой теории, искомые черные дыры все же могли когда-то возникнуть из шаров Ферми или квантовых «мешков» субатомных частиц — фермионов, — которые смешивались в плотных «карманах» во время зарождения Вселенной. Эта теория претендует на объяснение того факта, почему темная материя стала доминировать во Вселенной над обычной, видимой материей.

«Мы обнаружили, что в некоторых случаях шары Ферми могли быть настолько плотно упакованы, что фермионы в них оказывались слишком близко друг к другу, это вызывало коллапс шара Ферми и превращение его в черную дыру», — сказал исследователь из Центра теоретической физике при Сеульском национальном университете Ке-Пан Се в интервью Live Science.

Се и его коллега Киёхару Кавана из того же Центра теоретической физики разработали сценарий, объясняющий, как темная материя стала доминировать в космосе. В то время, когда Вселенной было меньше секунды, в ней происходили невероятные трансформации физических законов. Частицы попадали в ловушки, соединяясь в столь компактные структуры, что могли лишь коллапсировать и превращаться в черные дыры. Затем эти черные дыры заполнили всю Вселенную, обеспечивая тот самый установленный экспериментальными методами «бюджет» — явное доминирование над обычной, барионной материей, двух прочих пока еще необнаружимых компонент.

Черные дыры, как и темная материя, не излучают свет, поэтому они, в принципе, могут стать источником скрытой массы. «Так как черные дыры — это несветящиеся и компактные объекты, их кандидатура на темную материю должна быть рассмотрена самым естественным образом», — говорит Се.

Экстремальные условия, которые существовали в самой ранней Вселенной, допускают изменение физических процессов, уже невозможных в нормальных условиях современного космоса. Первый ингредиент новой теории — это скалярное поле вроде поля Хиггса, что пронизывает все пространство и придает частицам их массу. Когда Вселенная расширилась и охладилась, это скалярное поле претерпело фазовый переход, перейдя в другое квантовомеханическое состояние. Этот фазовый переход не коснулся одновременно сразу всей Вселенной. Первоначально возникли лишь отдельные участки, в которых переход уже начался, а затем это все распространялось дальше, сродни тому, как закипает вода в кастрюле, образуя все более крупные пузыри. «Этот процесс называется фазовым переходом первого рода: вода переходит из жидкой фазы в газообразное состояние, однако первоначально газ появляется лишь в виде растущих пузырьков», — пояснил Се.

Новое состояние скалярного поля, становящегося теперь основным состоянием, распространяется из этих точек сродни потоку кипящих пузырей. В конце концов пузыри полностью сливаются между собой, и скалярное поле завершает свой фазовый переход.

«Все части паззла сошлись»: ученые увидели необычную сверхновую

Международная группа астрономов впервые наблюдала процесс вспышки сверхновой нового типа, происходившей…

03 сентября 11:43

Однако чтобы получить первичные черные дыры, представляющие собой темную материю, Се и Каване понадобился еще один ингредиент. Они добавили в свою модель фермион нового типа. Фермионы — это частицы с полуцелым значением спина, в число которых входят электроны, протоны и нейтроны, из которых состоят все обычные атомы.

В очень ранней Вселенной эти фермионы свободно перемещались в скалярном поле, однако они не могли проникнуть в маленькие вспенивающиеся «пузыри» нового основного состояния космоса во время вышеописанного фазового перехода. По мере того, как пузыри росли, фермионы скапливались в оставшихся «карманах», становясь шарами Ферми. Однако между этими фермионами действовала дополнительная сила, известная как взаимодействие Юкавы, вызываемая тем же самым скалярным полем, предложенным южнокорейскими теоретиками в их статье. Обычно фермионы избегают попадания в одно и то же квантовое состояние и в небольшие объемы, однако скалярное поле добавляло им ту силу взаимодействия, что подавляла это естественное расталкивание. Скажем, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки — это тоже фермионы, избегающие попадать в одно и то же состояние, однако дополнительная ядерная сила (сильное взаимодействие) склеивает их вместе. Аналогом подобной силы является взаимодействие Юкавы, действующее в модели Се и Каваны.

Согласно теории южнокорейцев, как только фазовый переход завершился, судьба шаров Ферми была предрешена. Втиснувшись в маленькие «карманы» быстро меняющейся Вселенной, сгустки фермионов катастрофически схлопывались, образуя огромное количество крошечных черных дыр. 2$, откуда скорость тела, вращающегося по орбите вокруг этого тела: $v=\sqrt{GM/r}$.

В Солнечной системе скорость именно так и падает. Когда мы смотрим на галактики, мы можем измерить скорости пробных тел, а именно скорость газа, который вращается в галактике, как функцию радиуса. Для орбитального вращения в галактике скорость сначала растет с радиусом, поскольку растет масса вещества внутри радиуса. Потом, за пределами галактики, скорость должна падать как $1/\sqrt{r}$, но здесь этот закон нарушается — получается очень красивая зависимость (см. рис. 1) скорости вращения от радиуса. Причем сама галактика, высвеченная звездами, имеет на рисунке довольно малый размер.

Рис. 1. Зависимость скорости орбитального вращения газа от радиуса орбиты

Получается довольно интересная зависимость: чтобы скорость оставалась постоянной, масса тяготеющего вещества, заключенная внутри радиуса r, на каком-то интервале уже вне галактики пропорциональна этому радиусу: m ~ r, причем звезд там уже нет. Это лишь один из аргументов в пользу существование темной материи; если их все перечислять, то у меня не хватит пальцев на руке.

На самом деле еще в 1980-х годах придумали, как объяснить именно этот феномен без темной материи. Может быть, надо модифицировать выражение для центростремительного ускорения? Сейчас это называется «модифицированная гравитация», изначально это называлось «модифицированной ньютоновской динамикой» (МОНД). Скоро стало понятно, что модифицированная динамика не сработает, поскольку не будут выполняться законы сохранения импульса, но для простого варианта модифицированной гравитации сохранилось название МОНД. Она в принципе работает на галактических масштабах, но, как я уже сказал выше, аргументов [за темную материю] гораздо больше, и в скоплениях галактик МОНД уже не работает — там приходится ввести темную материю и добавлять ее к модифицированной гравитации, что некрасиво. Кроме того, модифицированная гравитация — нерелятивистская теория, а требуется релятивистское обобщение — нужно модифицировать общую теорию относительности. Ученые интенсивно работают, но теории, которая всё бы объясняла и заменила бы теорию Эйнштейна, пока нет, хотя исключить существование такой теории нельзя.

— А как такая теория объяснила бы космологию?

— Мы поймем, как это было бы в космологии, когда найдем, чем заменить уравнения Эйнштейна. А пока один из аргументов такой: если бы не было темной материи, галактики не успели бы образоваться. Эйнштейну было хорошо: у него в руках был принцип эквивалентности, он знал, как модифицировать законы Ньютона, — тогда однозначная теория гравитации появляется на кончике пера. Для модификации теории Эйнштейна такой путеводной звезды уже нет: слишком много вариантов, и ни один не работает.

— Но мне кажется, слишком много зацепок, свидетельствующих именно о темной материи.

— Да, зацепок по наблюдательным данным много, повторюсь, что пальцев не хватит для независимых свидетельств, которые надо было бы объяснить, если отбросить идею темной материи. Напротив, она объясняет их все, ну, почти все — есть нестыковки, но они на уровне ошибок измерений. Другое дело, что, сколько бы аргументов ни приводилось в пользу теории, ее нельзя доказать. Можно только опровергнуть — для этого достаточно одного факта, который бы не укладывался в теорию.

— В принципе динамику галактик и скоплений можно объяснить протокирпичами: летают себе протокирпичи или астероиды в пространстве, они же не светятся. С этого ведь и начали.

— Да, с этого и начали, для объяснения кривых вращения галактик этого достаточно. Еще погасшие звезды, черные дыры. Такие гипотезы были популярны до 1980-х.

— Так почему все-таки протокирпичей недостаточно?

— Если бы темная материя была протокирпичами, тогда галактики не успели бы образоваться. Вселенная на ранних стадиях была заполнена ионизированной плазмой, причем протокирпичи входили в ее состав, и эта плазма мешала первоначальным неоднородностям сформироваться в галактики. А неоднородности из электрически нейтральной темной материи могут начать развиваться раньше. Из материала протокирпичей не образуешь структур.

— А что может быть темной материей? Если частицы, то каких масс? Что-то еще?

— Интересных вариантов сейчас не так уж много. Это могут быть новые частицы — известные частицы не годятся — либо первичные черные дыры, хотя и это непросто: в простых теориях инфляционной Вселенной они не образуются. Да и широкий интервал масс первичных черных дыр исключен наблюдениями.

— Насколько я помню, для того чтобы первичные черные дыры составляли темную материю, их массы должны быть как у астероидов и маленьких планет. Иначе они видны в микролинзировании. А меньшие по массе испарятся.

— Микролинзирование — это уже старая история; сейчас основной источник информации — гравитационные волны. Гипотеза, что черные дыры — это темная материя, не исключена, но сейчас столбовая дорога по объяснению существования темной материи — новые частицы.

— Какой массы они могут быть?

— Любой. Больше, чем 10^–24 эВ, ну или, наверно, меньше планковской, если это частицы.

— 10^–24 — это ограничение из-за огромной комптоновской длины волны? Частица не помещается в галактике?

— Да, частица не помещается в карликовую галактику, когда ее комптоновская длина волны — килопарсек.

— Теперь недоумение по поводу легких частиц. Они формировались в молодой Вселенной и по идее были в термодинамическом равновесии с другими частицами, с теми же фотонами. Значит, во времена формирования галактик они должны были иметь энергию в доли электронвольта — это скорей релятивистская, чем холодная материя.

— Так и думали на ранних стадиях развития теории. Но такое заключение справедливо, если частицы темной материи имеют достаточно сильное взаимодействие. Но это предположение не имеет обоснований.

— Ну нейтрино же рассматривались как вариант темной материи. Они же взаимодействуют слабо, но термализовались.

— Вопрос, насколько сильно, насколько слабо.

— То есть предполагается, что легкие частицы темной материи взаимодействуют гораздо слабей, чем нейтрино?

— В общем, да. Самый хороший пример — аксионы. Они очень легкие: самый предпочтительный порядок их масс — 10^–5 эВ. Есть всякие обобщения, возникающие в теории струн, которые дают массу до 10^–24 эВ. Эти аксионы образуются нетермальным механизмом, он очень простой. Чтобы легкие частицы создали достаточно глубокую гравитационную яму, этих частиц должно быть очень много. Если частицы — фермионы, то такой вариант отпадает: из легких фермионов этого сделать нельзя. А если это бозоны — из них можно сделать классическое поле, как электромагнитное. И уже надо рассуждать не в терминах частиц, а в терминах поля.

Рис. 2. При температуре ниже, чем масштаб квантовой хронодинамики, потенциал поля становится параболическим

Есть несколько способов возбудить это поле в ранней Вселенной. Самый простой выглядит так. У любого поля есть потенциал. У аксионного поля он зависит от температуры. На ранних этапах он был нулевым, а само поле генерируется. Так устроена квантовая теория вкупе с гравитацией. Утрируя: если что-то может генерироваться, то оно и появляется. При температуре ниже, чем масштаб квантовой хронодинамики, потенциал становится параболическим, как на рис. 2, и поле оказывается на «склоне» потенциала и начинает скатываться к минимуму, где начинает осциллировать. Эти осцилляции — не что иное, как колебания классического поля, где очень много частиц в одном состоянии с импульсом близким к нулю. А если импульс мал, значит, они холодные, несмотря на то что очень легкие, причем не успевают термализоваться из-за того, что очень слабо взаимодействуют.

— Отлично. То есть аксионы, несмотря на свою малую массу, остаются холодной темной материей?

— Даже ультрахолодной.

— Но почему они должны быть связаны именно с хромодинамикой?

— В принципе мы можем взять частицу любой массы с потолка и объяснить с ее помощью существование темной материи. Но это неинтересно. Интересно, когда такая частица предсказывается из каких-то других соображений, а затем оказывается хорошим кандидатом на роль темной материи.

Аксион как раз такой. Его ввели в теорию из следующих соображений. Известно, что в сильных взаимодействиях четность почему-то не нарушается, но если посмотреть на лагранжиан теории, то это очень странно — вообще говоря, она должна нарушаться.

Поэтому придумали такую модель, в которой нарушение четности компенсировано аксионным полем. Как только поле скатывается в ноль, нарушение четности в сильных взаимодействиях исчезает. Это очень красиво. Сначала, когда ввели эту теорию, думали, что масса аксиона —порядка характерного масштаба хромодинамики, примерно как у пи-мезона. Но очень быстро стало понятно, что если аксионы столь тяжелы, то и взаимодействуют сильно. Сразу поставили эксперименты на ускорителях и нашли, что таких тяжелых аксионов быть не может, что аксион должен быть легче 1 эВ. Тогда они взаимодействуют очень слабо, что не мешает им решать проблему сохранения четности в сильных взаимодействиях. Вариант 10^–5 эВ прекрасно решает все проблемы.

— Значит, то, что мы ищем в первую очередь, это холодная темная материя? Но есть же еще вариант теплой.

— Есть теплая, есть горячая, хотя варианты с горячей темной материей уже закрыты. Характерные скорости в галактике — 10^–3 от скорости света. Квадрат этой скорости примерно равен гравитационному потенциалу ямы. При большей скорости, как у горячих частиц, галактики из них просто не образуются, а частицы разлетаются.

— Правильно ли я понимаю, что на роль холодной темной материи годятся и аксионы, и WIMP-ы (ВИМП, WIMP — Weakly Interacting Massive Particle — гипотетическая слабовзаимодействующая массивная частица. — Ред.), а нейтрино не годятся?

— Неправильно. Нейтрино тоже подходят.

— Но почему? Масса у них маленькая, энергия достаточно большая, как у реликтовых фотонов.

— Как я уже сказал, интересны теории, в которых кандидаты на роль темной материи возникают естественно. Из немногого: WIMP-ы, естественно возникающие в теориях суперсимметрии; аксионы, решающие проблему отсутствия СР-инвариантности в сильных взаимодействиях, ну и нейтрино.

— Каким образом нейтрино?

— Слабые взаимодействия нарушают пространственную четность. В стандартной модели есть левые и правые частицы — частица как бы вращается. Если она вращается влево (против часовой стрелки) относительно направления своего движения, то это левая частица, если наоборот — правая. При отражении в зеркале левая частица становится правой. Если для всех частиц есть равноправные партнеры при зеркальном отражении, то пространственная четность нарушаться не будет. Поскольку четность нарушается, то Лев Ландау предложил самый простой вариант: «А правых нейтрино нет». Про другие частицы — кварки, электроны — так сказать нельзя из-за электрического заряда, а про нейтрино — можно. Это странно, поскольку, если бы нейтрино обладало когнитивными способностями и посмотрело на себя в зеркало, оно бы не увидело своего отражения. При этом нейтрино естественным образом безмассовые — так и есть в Стандартной модели. Потом из экспериментов стало понятно, что у нейтрино масса есть, за ее вычисление Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald) дали Нобелевскую премию в 2015 году.

Самый простой способ ввести массу нейтрино — добавить правое нейтрино. В этом смысле восстанавливается равноправие с кварками и другими лептонами. Но когда частица нейтральная, вовсе не обязательно, чтобы массы левой и правой частицы совпадали, как это имеет место для заряженных электронов. Добавляя правые частицы, мы можем сказать, что масса у них другая, какая — не знаем. В этом случае если левое нейтрино посмотрит на себя в зеркало, то оно увидит нечто, но совсем другое, какого-то монстра, например, гораздо тяжелее себя. Четность нарушена, но не так, как у Ландау. И если эта правая частица будет тяжелее 1 кэВ, то она годится на роль темной материи, но совсем тяжелые ГэВ’ы — МэВ’ы не подходят: они будут распадаться. А из легких фермионов темную материю не сделаешь, поскольку из-за принципа Паули много их не посадишь в потенциальную яму. Поэтому левые нейтрино вклада в темную материю не дают, а правые могут дать, и это очень естественный вариант, который сразу решает две проблемы: массы нейтрино и темной материи.

— Еще раз: какова минимальная масса частиц темной материи, чтобы они образовывали зародыши галактик?

— Примерно больше, чем 100 электронвольт.

— Это для больших галактик, типа нашей?

— Это ограничение вытекает из карликовых галактик.

— Есть термин «теплая темная материя». К чему он относится? В чем разница между холодной и теплой?

— Как мы уже говорили, горячая совсем не подходит для наполнения гравитационных ям, холодная их наполняет, а теплая — промежуточный вариант. Всё зависит от размера гравитационной ямы. Скопления галактик можно заполнить даже горячей темной материей; холодной — образования любого размера; теплая — когда не заполняются ямы гравитационного потенциала самых маленьких масштабов. Если рисовать распределение массы темной материи по радиусу, то для больших галактик плотность к центру растет, становясь бесконечной при конечной массе (это называется «касп»). А если изначальные скорости частиц достаточно большие, то к центру плотность выходит на константу (рис. 3).

Рис. 3. Распределение плотности темной материи в зависимости от радиуса. Если изначальные скорости частиц достаточно большие, то к центру ее плотность выходит на константу

И мы наблюдаем, что плотность темной материи в карликовых галактиках действительно выходит на константу. Можно ли объяснить это в рамках холодной темной материи? Да, может быть, мы плохо понимаем динамику образования галактик, поведение барионного вещества. Но один из вариантов — предположить, что темная материя на самом деле теплая, и она размазывает вещество на малых масштабах, и каспы не образуются. Тогда масса частиц темной материи — от 1 кэВ до 10 кэВ.

— Возражение. Точнее, не возражение, а опасение. Возьмем массу частиц меньше 1 кэВ.

— Давай меньше кэВа не будем.

— Хорошо, возьмем 2 кэВ. Что будет с потенциальной ямой в миллион солнечных масс?

— Хочешь получить шаровые скопления?

— Да, и не только шаровые скопления, но и первые звезды, которые получились из комков массой 105–106 M_ʘ. Первые звезды ведь очень нужны для объяснения ранней Вселенной, для объяснения ранних тяжелых квазаров. Наверное, 2–3 кэВ слишком мало для роста таких ям?

— Граница, когда все эти проблемы исчезают, — около 7 кэВ. Хотя это еще не устоявшаяся оценка, граница расплывчатая, и ее надо уточнять.

— А как темная материя распределена в пространстве: в нашей Солнечной системе?

— Те частицы, которые летают в Галактике, просто пролетают ее насквозь; у них скорость 10^–3 скорости света, что больше третьей космической скорости. Частица может быть захвачена, только если она взаимодействует и теряет энергию. Такие модели тоже есть, хотя там свои проблемы. Частица пролетает через Солнце и в нем начинает «тереться» — терять свою энергию. Тогда она может в нем застрять, или остаться в Солнечной системе, или будет много раз пролетать через Солнце и в конце концов в нем застрянет.

Такое происходит в модели WIMP-ов, сколько-то их накапливается в Солнце. Их в принципе можно зарегистрировать: они, хоть и слабо, взаимодействуют и в конце концов распадаются, например, на нейтрино. Можно искать какой-то аномальный нейтринный сигнал из центра Солнца от распада WIMP-ов. Но чтобы они меняли гравитационный потенциал в Солнечной системе — этого не видно даже в прецизионных измерениях координат «Пионеров» и других аппаратов. Никаких поправок к гравитационному потенциалу Солнца и планет для расчета траекторий не требуется. Да и теоретически «нормальная» темная материя не должна накапливаться в Солнечной системе.

— В свое время якобы была обнаружена гамма-линия в районе 100 ГэВ от центра Галактики, которую приписывали распаду темной материи. Вскоре эта линия «рассосалась», но возможно ли в принципе, что из центра Галактики будет обнаружен сигнал от распада WIMP-ов?

— Возможно. Есть два способа поиска темной материи: прямые лабораторные поиски (это самый надежный метод) и косвенные астрофизические поиски. Например, стерильные (правые) нейтрино распадаются на нейтрино и рентгеновский квант — тогда материя не совсем темная, она будет чуть светиться. Такую рентгеновскую линию ищут, и отсюда следует самое сильное ограничение на этот вид темной материи. И WIMP-ы могут распадаться, но там будет уже не гамма-линия, а бампик. Ищут и даже что-то находят, но это очень трудно отделить от разных астрофизических эффектов: жизнь в космосе бурлит, там много пульсаров, сталкивающихся ударных волн. Как правило, находки «сигналов» от темной материи в конце концов объясняются астрофизическими механизмами.

— Как ищется темная материя в лаборатории? Какие существуют самые продвинутые эксперименты?

— Давай остановимся на тех кандидатах, которые заодно решают некоторые проблемы физики элементарных частиц. WIMP-ы отождествляются с тяжелыми (100 ГэВ — 1 ТэВ) суперсимметричными частицами. Но их не нашли на Большом адронном коллайдере, поэтому они стали менее популярными. WIMP-ы, хоть и слабо, должны взаимодействовать с веществом, поэтому их можно зарегистрировать в большом детекторе: пролетая через детектор (либо жидкоаргоновый, либо кристаллический), частица передает часть своей энергии атомам — возникает либо свечение частиц отдачи, либо звуковые возбуждения, фононы. Со стерильными нейтрино это уже не сработает, потому что они легкие; с аксионами — тем более.

Для аксионов метод таков. Он — близнец π⁰ (пи-ноль мезона) и распадается так же — на два фотона. В квантовой теории поля всегда можно получить новый процесс, заменяя один из получаемых после распада фотонов на классическое электромагнитное поле. В данном случае используется магнитное поле: чем оно сильнее, тем охотнее будет происходить конверсия аксиона в фотон. Это и делается. Энергия фотона получается равной массе аксиона; если это 10^–5 эВ, то она соответствует радиочастоте сантиметрового диапазона. Для регистрации создается по возможности большой объем с магнитным полем, в нем резонаторы для радиоволн. Частота резонатора меняется со временем, и, как только она приблизится к массе аксиона, сигнал усилится: получится пик на определенной частоте.

— Где это делается?

— Уже по всему миру. Начали в Ливерморской национальной лаборатории (США), продолжили в разных местах. Эксперименты продолжаются десятилетиями, диапазон 10^–4–10^–5 эВ уже хорошо исследовали и поставили сильные ограничения.

— Ограничения на массу аксиона?

— Нет, на константу взаимодействия. Некоторые старые модели в этом интервале масс уже были бы закрыты, но у теоретиков всегда есть возможность что-то подправить в модели и вписаться в данные.

— А что происходит в этом здании, где происходит наш разговор, на первом этаже, имеющем отношение к данной теме?

— Там находится уникальная установка, известная по всему миру под названием Troitsk ν-mass, построенная еще в советское время под руководством Владимира Михайловича Лобашева для измерения массы нейтрино. На этой установке были получены лучшие в мире ограничения на массу левого активного нейтрино — 2 эВ, это близко к пределу для данной установки. Намного более крупную установку построили в Германии, она называется KATRIN: у нее значительно выше чувствительность, хотя, по сути, это просто увеличенная копия нашей установки, и Владимир Михайлович принимал активное участие в ее создании.

Корпус спектрометра установки KATRIN перевозится от пристани на Рейне, 2006 год

На KATRIN в данный момент получено ограничение сверху на массу нейтрино 0,8 эВ. Тем не менее наша установка жива, и на ней можно искать стерильные нейтрино, используя ту же методику. Те самые, про которые мы говорили в контексте темной материи. Здесь можно искать в интервале 1–10 кэВ, в данный момент мы поставили лучшие ограничения на параметры взаимодействия в интервале 1–2 кэВ, далее будем расширять этот диапазон.

Потом сюда подключится KATRIN — им сначала надо выполнить свою программу по поиску массы активных нейтрино, на которую выделялись деньги. Потом будут новые эксперименты, которые положат более жесткие ограничения — так это и происходит. WIMP-ы уже близки к закрытию, к тому, чтобы их совсем исключить. А аксионы и стерильные нейтрино всё еще в начале своего пути.

— WIMPы близки к закрытию по экспериментальным ограничениям или по отрицательным результатам в поиске суперсимметричных частиц на Большом адронном коллайдере?

— И то и другое.

— Ну, жалко!

— На самом деле мне не жалко, потому что WIMP-ы очень скучные. Суперсимметричные частицы очень скучные: их много, у каждого фермиона есть партнер-бозон, и наоборот, и не появляется никаких интересных наблюдаемых эффектов, кроме энергии отдачи. А физика аксионов очень богата. Если найдут аксионы, мы получим интереснейшие знания о ранней Вселенной.

Да, реликтовое микроволновое излучение дало нам колоссальную информацию о Вселенной и ее составе. Но мы не можем напрямую заглянуть в самые ранние стадии, используя лишь электромагнитное излучение: Вселенная в первые 300 тыс. лет непрозрачна. Она прозрачна для гравитационных волн, и если мы найдем аксионы, то получим еще один инструмент, благодаря которому узнаем много нового о самых ранних стадиях развития Вселенной; в частности, увидим отпечаток самой ранней эволюции галактик. А WIMP-ы такого не дают.

— Как я понял, если аксионы связаны с хромодинамикой, то это информация до первых микросекунд, когда они образовались.

— Да. Причем если есть аксионы, мы можем увидеть историю формирования галактики — некий линейчатый спектр в конверсии аксионов, говорящий о распределении скоростей. Кроме того, аксионы так устроены, что в некотором диапазоне масс из них образуются мини-кластеры — бозонные звезды.

— А чем они связаны?

— Гравитационно. Поскольку это очень легкие бозоны, получаются комки классического поля с массой 10^–13, 10^–14 масс Солнца с радиусом порядка 100 км.

— Примерно как астероиды.

— И они растут из-за гравитационной неустойчивости и, в зависимости от параметров, в какой-то момент времени просто взрываются, и вся эта масса мгновенно переходит в излучение. Похожий взрыв происходит, когда такая аксионная звезда пролетит вблизи нейтронной звезды с ее огромным магнитным полем. Если посмотреть на массу аксионной звезды, то энерговыделение будет ровно такое, как у недавно зарегистрированных быстрых радиовсплесков. И часто́ты у них как раз в области гигагерц, что соответствует ожидаемой массе аксиона; продолжительность — около миллисекунды. На сегодняшний день это, конечно, дикая спекуляция: всё трудней объяснить новые появляющиеся данные взрывом бозонных звезд, но факт в том, что астрофизика, связанная с аксионами, очень богата. В отличие от WIMP-ов.

Смотрите видеоверсию этого интервью на Youtube-канале нашей газеты:
youtube.com/watch?v=RbEzkWaq__k

См. также:

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. Известный 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 не поддавались прямому обнаружению, 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 в 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 (точка на орбите вокруг Солнца, где космический корабль сохраняет стабильное 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? | Живая наука

Ученые не совсем уверены, что такое темная материя, а некоторые эксперты задаются вопросом, существует ли она вообще.
(Изображение предоставлено Shutterstock)

Темная материя — таинственная несветящаяся субстанция, составляющая подавляющее большинство материи во Вселенной. Хотя эксперты десятилетиями наблюдали за гравитационными эффектами темной материи, ученые по-прежнему не могут понять ее истинную природу.

Кто открыл темную материю?

В конце 19 века астрономы начали размышлять о невидимом материале — либо о тусклых звездах, либо о газе и пыли, разбросанных по Вселенной. Исследователи даже начали оценивать его массу, согласно обзору 2018 года в журнале Reviews of Modern Physics. Большинство думало, что это загадочное вещество было второстепенным компонентом общей массы космоса.

Только в 1933 году швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки заметил, что далекие галактики вращаются друг вокруг друга намного быстрее, чем это должно быть возможно, учитывая их видимое вещество, наблюдаемое в телескопы. «Если это подтвердится, мы получим удивительный результат: темная материя присутствует в гораздо большем количестве, чем светящаяся», — написал он в статье, опубликованной в том же году в журнале Helvetica Physica Acta.

Но многие в этой области скептически относились к результатам Цвикки до 1970-х годов, когда астрономы Кент Форд и Вера Рубин провели детальные исследования звезд во внешних областях соседней галактики Андромеды. Эти звезды вращались вокруг галактического ядра слишком быстро, как будто какой-то невидимый материал гравитационно притягивал их и толкал вперед — наблюдение, которое ученые вскоре заметили в галактиках по всей Вселенной.

Исследователи понятия не имели, из чего состоит эта невидимая масса, а некоторые астрономы предполагали, что темная материя состоит из маленьких черных дыр или других компактных объектов, испускающих слишком мало света, чтобы их можно было увидеть в телескопы. Результаты стали еще более странными в 1990-х годов, когда космический телескоп под названием Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) показал, что, по данным НАСА, эта темная материя в пять раз превышает вес обычной видимой материи.

Почему темная материя остается загадкой

Телескопы никогда не могли найти достаточно маленьких компактных объектов, чтобы объяснить это огромное изобилие материала. Большинство современных астрономов считают, что темная материя, вероятно, состоит из субатомных частиц со свойствами, которые сильно отличаются от более привычных протонов и нейтронов.

Главный кандидат на темную материю называется Слабо взаимодействующей массивной частицей или вимпом. Этих спекулятивных сущностей нет в Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает почти все частицы и взаимодействия. Вимпы были бы больше похожи на призрачное нейтрино, за исключением того, что они весили бы в 10-100 раз больше, чем протон. (Точные массы нейтрино неизвестны, но они намного легче электронов).

Подобно нейтрино, вимпы будут взаимодействовать только с двумя из четырех фундаментальных взаимодействий во Вселенной: гравитацией и ядерным слабым взаимодействием, которое вызывает распад радиоактивных атомных ядер. Эти частицы темной материи были бы электрически нейтральны, а это значит, что они не взаимодействовали бы с электромагнетизмом, основой света, и поэтому оставались бы невидимыми.

Физики построили огромные детекторы и поместили их глубоко под землю, чтобы защитить их от мешающих космических лучей, пытаясь обнаружить вимпы, но до сих пор ни один эксперимент не обнаружил доказательств их существования. В последние годы эта неудача заставила некоторых в этой области задуматься о том, не отправились ли они в безудержную погоню за частицами без реального конца.

Поэтому некоторые ученые обращают свое внимание на более нового кандидата в темную материю, называемого аксионом, масса которого составляет миллионную или даже миллиардную часть массы электрона, сообщается в Трудах Национальной академии наук. Эти гипотетические частицы особенно привлекательны для исследователей, потому что они также могут решить другую нерешенную проблему в физике, потенциально взаимодействуя с нейтронами, чтобы объяснить, почему они могут чувствовать магнитные поля, но не электрические.

В июне 2020 года участники эксперимента XENON1T, базирующегося в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, детектора, первоначально созданного для попытки захвата вимпов, объявили, что они обнаружили небольшой, но неожиданный сигнал, который можно объяснить присутствием аксионов. Результаты шокировали научное сообщество, но еще не подтверждены другими экспериментами.

Темная материя вообще реальна?

Это означает, что исследователи все еще ломают голову над тем, что такое темная материя. Некоторые теоретики задавались вопросом, существует ли целый темный сектор Вселенной с множеством частиц и даже темными силами, которые воздействуют только на темную материю, сродни субатомной сложности, наблюдаемой в видимом космосе.

В то же время меньшинство ученых считает, что темная материя — это мираж. Они придерживаются идеи, известной как модифицированная версия инерции, или МОНД, которая предполагает, что в больших масштабах гравитация действует не так, как ожидалось, и это объясняет наблюдаемое вращение звезд и галактик. Но большинство экспертов не убеждены в необходимости столь радикального отхода от известной физики, что также потребовало бы изменений в нашем понимании больших частей реальности.

Насколько известно, темная материя не связана с темной энергией, еще одним таинственным явлением, ответственным за ускорение расширения космоса. Эти двое просто разделяют слово «темный», которое ученые часто используют в качестве заполнителя для вещей, которые они не совсем понимают.

Дополнительные ресурсы:

• Узнайте больше о темной материи из NASA Education .
• Узнайте больше о разнице между темной материей и темной энергией из Наука НАСА .
• Посмотрите эту запись публичной лекции , прочитанной физиком Фермилаборатории Дэном Бауэром, в которой объясняется, что такое темная материя и почему она важна.

Адам Манн — независимый журналист с десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.

Земное небо | Что такое темная материя?

Что такое темная материя? С 1930-х годов астрофизики пытались объяснить, почему видимый материал в галактиках не может объяснить форму галактик или их поведение. Они верят, что темная материя пронизывает нашу вселенную, но не знают, что это такое. Изображение через ScienceAlert.

Что такое темная материя?

Темная материя — загадочная субстанция, которая, как полагают, составляет около 27% состава Вселенной. Что это? Немного проще сказать, что это не .

Это не обычные атомы, строительные блоки наших собственных тел и всего, что мы видим вокруг себя. Согласно космологической модели, называемой моделью лямбда-холодной темной материи (она же модель лямбда-CDM, а иногда и просто стандартная модель), атомы составляют всего около 5% Вселенной.

Темная материя — это не то же самое, что темная энергия . Согласно Стандартной модели, темная энергия составляет около 68% Вселенной.

Темная материя невидима; он не излучает, не отражает и не поглощает свет или любое электромагнитное излучение, такое как рентгеновские лучи или радиоволны. Таким образом, инструменты не могут обнаружить темную материю напрямую, поскольку все наши наблюдения за Вселенной, помимо обнаружения гравитационных волн, включают в себя улавливание электромагнитного излучения в наших телескопах.

Как он взаимодействует с обычной материей?

Однако темная материя взаимодействует с обычной материей. Он демонстрирует измеримые гравитационные эффекты на крупные структуры во Вселенной, такие как галактики и скопления галактик. Благодаря этому астрономы могут составлять карты распределения темной материи во Вселенной, даже если они не могут видеть ее напрямую.

Они делают это, измеряя влияние темной материи на обычную материю посредством гравитации.

На этом изображении всего неба, опубликованном в 2013 году, показано распределение темной материи по всей истории Вселенной, проецируемое на небо. Он основан на данных, собранных со спутника Planck Европейского космического агентства. Темно-синие области представляют области, которые более плотные, чем их окружение. Яркие области представляют менее плотные области. Серые части изображения представляют собой участки неба, где излучение переднего плана, в основном от Млечного Пути, но также и от близлежащих галактик, мешает космологам видеть ясно. Изображение через ESA.

Вимпы и суперсимметрия

В настоящее время предпринимаются огромные международные усилия по определению природы темной материи. Астрономы используют арсенал передовых технологий для решения этой проблемы. Они разработали еще более сложные и чувствительные детекторы, чтобы выявить личность этого таинственного вещества.

Темная материя может состоять из еще не идентифицированной субатомной частицы. Это было бы совершенно не похоже на то, что ученые называют барионной материей. Это обычная материя, то, что мы видим вокруг себя. Обычные атомы, состоящие из протонов и нейтронов, составляют барионную материю.

Список субатомных частиц-кандидатов включает слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). Считается, что этот класс частиц возник в ранней Вселенной. Астрономы считают, что вимпы могут самоуничтожиться при столкновении друг с другом, поэтому они искали в небе контрольные следы таких событий, как испускание нейтрино или гамма-излучение.

Пока ничего не нашли. Кроме того, хотя теория, называемая суперсимметрией, предсказывает существование частиц с теми же свойствами, что и вимпы, неоднократные поиски самих частиц также ничего не дали. Эксперименты на Большом адронном коллайдере по обнаружению ожидаемого присутствия суперсимметрии совершенно не дали ее.

Детекторы вимпов

Исследователи использовали несколько различных типов детекторов для обнаружения вимпов. Общая идея состоит в том, что очень редко вимпы могут столкнуться с обычным атомом и испустить слабую вспышку света. На сегодняшний день самым чувствительным детектором является XENON1T, который состоит из 10-метрового (около 30 футов) цилиндра, содержащего 3,2 тонны жидкого ксенона. Окружающие его фотоумножители обнаруживают и усиливают невероятно слабые вспышки от этих редких взаимодействий. В июле 2019 г., более чувствительный прибор XENONnT занял место XENON1T, который не обнаружил столкновений между вимпами и атомами ксенона.

Хотя вимпы долгое время были предпочтительными кандидатами на роль темной материи, они не единственные кандидаты. Неспособность найти вимпы и сопутствующее разочарование из-за невозможности объяснить значительный процент массы Вселенной заставили многих ученых искать возможные альтернативы.

На данный момент гипотетическая частица под названием аксион выделяется как важная. Существование аксионов не только является сильным кандидатом на роль темной материи, но и может дать ответы на несколько других постоянных вопросов в физике, таких как проблема сильной СР.

Астроном Фриц Цвикки впервые предсказал существование темной материи в 1930-х годах после своих наблюдений за скоплением галактик Кома. Изображение через zwicky-stiftung.ch.

История тёмной материи

Идея о том, что во Вселенной могут быть вещи, невидимые для нас, которые не излучают свет, имеет долгую историю, уходящую на сотни лет назад во времена Ньютона. С открытием так называемых «темных туманностей» — облаков межзвездной пыли, блокирующих свет от фоновых звезд, — и предположениями Пьера Лапласа 18-го века об объектах, которые могут поглощать свет, позднее ставших известными как черные дыры, астрономы пришли к выводу, что существование так называемой «темной вселенной».

Но в наше время астроном Фриц Цвикки в 1930-х годах сделал первые наблюдения того, что мы сейчас называем темной материей. Его наблюдения 1933 года за скоплением галактик Кома, казалось, указывали на то, что его масса в 500 раз больше, чем ранее рассчитанная Эдвином Хабблом. Более того, эта дополнительная масса казалась совершенно невидимой. Хотя наблюдения Цвикки поначалу вызвали большой скептицизм, позже другие группы астрономов подтвердили их.

Вера Рубин и темная материя

Тридцать лет спустя астроном Вера Рубин предоставила огромное количество доказательств существования темной материи. Она обнаружила, что центры галактик вращаются с той же скоростью, что и их края. Они должны вращаться быстрее. Подумайте о виниловой пластинке на деке: ее центр вращается быстрее, чем край. Это то, что логика подсказывает, что мы должны видеть и в галактиках. Но мы этого не делаем. Единственный способ объяснить это — если вся галактика является лишь центром какой-то гораздо более крупной структуры. Представьте, что это всего лишь метка на LP, заставляющая галактику иметь постоянную скорость вращения от центра к краю.

Вера Рубин вслед за Цвикки постулировала, что недостающая структура в галактиках — это темная материя. Ее идеи встретили сильное сопротивление со стороны астрономического сообщества, но ее подтвержденные наблюдения теперь являются ключевым доказательством существования темной материи. В честь этой важной и исторической части детективной работы по установлению существования темной материи революционный Большой синоптический обзорный телескоп недавно получил имя Обсерватория Веры С. Рубин.

Пионер темной материи Вера Рубин (1928-2016). Это изображение, сделанное в обсерватории Лоуэлла, датируется 1965 годом. Изображение предоставлено Институтом Карнеги/NPR.

Нужна ли темная материя?

Некоторые астрономы пытались вообще отрицать необходимость существования темной материи. Они постулируют то, что называется модифицированной ньютоновской динамикой (МОНД). Идея, стоящая за этим, заключается в том, что гравитация ведет себя иначе на больших расстояниях, чем локально. Это различие в поведении могло бы объяснить такие явления, как кривые вращения галактик, которые мы приписываем темной материи.

У МОНД есть сторонники, и он может объяснить кривую вращения отдельной галактики. Но текущие версии MOND просто не могут объяснить поведение и движение материи в больших структурах, таких как скопления галактик. В своем нынешнем виде он не может полностью объяснить существование темной материи. Другими словами, гравитация ведет себя одинаково на всех масштабах расстояния. С другой стороны, большинство версий MOND имеют 90 187 две версии 90 188 гравитации, причем более слабая из них возникает в областях с низкой массовой концентрацией, например, на окраинах галактик. Однако не исключено, что какая-то новая версия MOND в будущем может объяснить темную материю.

Некоторые астрономы считают, что в ближайшем будущем мы установим природу темной материи. Но пока поиски оказались безрезультатными. Мы знаем, что Вселенная часто преподносит нам сюрпризы, так что ничего нельзя принимать как должное.

Подход, который используют астрономы, состоит в том, чтобы исключить те частицы, которые не могут быть темной материей, в надежде, что мы останемся с той, которая есть .

Правильный ли это подход? Время покажет.

Подробнее:

Что такое суперсимметрия? из How Stuff Works

Miraculous WIMPs из журнала Symmetry Magazine

Модифицированная ньютоновская динамика из Physics World

Вера Рубин и темная материя из Американского музея естественной истории

Итог: темная материя составляет около 27% Вселенной согласно астрономическим теориям. Существующие инструменты астрономов не могут его увидеть или обнаружить. Однако его гравитационное притяжение к обычному веществу позволяет астрономам измерить его.

Энди Бриггс

Просмотр статей

Об авторе:

Энди Бриггс провел последние 30 лет, знакомя людей с астрономией, астрофизикой и информационными технологиями.