Темная материя это что: Темная материя — все самое интересное на ПостНауке |

Содержание

Из чего состоит темная материя: новости физики элементарных частиц

Авторизация
Регистрация

Сброс пароля

Подпишитесь на
«СР-КУРЬЕР»
Быстрая и маленькая, как атом, газета — доставляем свежие новости из «Росатома», России и мира прямиком в ваш почтовый ящик

Больше не показывать

Вы знаете больше и готовы рассказать?

У вас есть интересная история или вы знаете больше о теме, по которой мы уже выпустили материал. Поделитесь с СР любой идеей. Ждем ваших сообщений!

Прикрепить файл

Отправить

Из чего состоит темная материя, есть ли в природе пятая сила, сколько весит нейтрино и можно ли сделать из одного фотона три? Чтобы ответить на эти вопросы, специалисты в области физики элементарных частиц в последние месяцы провели множество интересных экспериментов.

Новый кандидат

Ученые из Йоркского университета (Великобритания) предложили нового кандидата на роль «кирпичика» темной материи — гексакварк. Ранее выдвигались гипотезы о том, что невидимая часть материи Вселенной состоит из аксионов, темных фотонов, слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), сверхтяжелых гравитино и т. д. У каждой группы были сильные аргументы, но надо понимать, что все это пока не обнаруженные частицы. А существование гексакварка подтверждено экспериментально в 2014 году.

Частица состоит из шести кварков. Эксперименты показали, что при определенных условиях гексакварки слипаются друг с другом необычными способами. Например, при охлаждении почти до абсолютного нуля они образуют конденсат Бозе — Эйнштейна, при таком состоянии вещества частицы начинают действовать как один большой суператом. Британские ученые утверждают, что гексакварки конденсировались сразу после Большого взрыва и образовали темную материю.

Модель
гексакварка

Аномальные углы

Физики давно подозревают, что помимо четырех фундаментальных сил природы — электромагнетизма, гравитации, сильного и слабого ядерного взаимодействия — есть пятая, связывающая частицы той самой темной материей. Ученые из Института ядерных исследований в Венгрии под руководством Аттилы Краснахоркаи провели опыты с атомом гелия и нашли новые доказательства этой гипотезы.

В 2016 году они наблюдали распад изотопа бериллия. Когда возбужденное ядро переходит в обычное состояние, оно отдает избыток энергии в виде фотона. Фотон может породить пару из электрона и позитрона, которые разлетятся в разные стороны. Не будем вдаваться в подробности, скажем лишь, что в венгерском эксперименте они разлетелись не так, как должны были по закону сохранения энергии, — не под тем углом. Ученые предложили такое объяснение: время от времени ядро сбрасывает избыток энергии в виде новой, ранее неведомой частицы. Эту частицу венгры назвали Х17, и ее существование намекает на наличие неизученной силы, которая действует совсем не так, как традиционная четверка. В этом году исследователи из Венгрии повторили опыт, но уже с ядром гелия. И снова увидели аномальный угол. Но чтобы подтвердить, что породила его пятая сила, надо поймать X17 в экспериментах на ускорителе. Попытки были, в том числе на Большом адронном коллайдере, но успехом не увенчались.

Гипердетектор

Власти Японии одобрили строительство нейтринного детектора «Гипер-Камиоканде» (Hyper-K) недалеко от города Хида, в цинковой шахте Камиока. В проекте примут участие 16 стран, в том числе Россия. Работы начнут до конца весны.

Это будет самый большой детектор нейтрино в мире. Резервуар из нержавеющей стали «Гипер-Камиоканде» заполнят 1 млрд л воды (объем резервуара действующего японского детектора «Супер-Камиоканде» в 20 раз меньше) и оснастят фотоумножителями, которые улавливают слабые вспышки, возникающие, когда нейтрино сталкиваются с атомами в воде, вызывая выброс высокоскоростных заряженных частиц.

Нейтринный детектор «Супер-Камиоканде»

Огромный размер «Гипер-Камиоканде» позволит обнаруживать беспрецедентное количество нейтрино, испускаемых разными источниками, включая космические лучи, Солнце, сверхновые, а также нейтрино, созданные на ускорителе. Кроме того, если в воде произойдет самопроизвольный распад протонов в атомных ядрах, детектор зафиксирует это, сделав революционное открытие, которое приблизит ученых к пониманию происхождения материи во Вселенной. Начать эксперименты на «Гипер-Камиоканде» планируют в 2027 году.

Верхний предел

Раньше считалось, что нейтрино не обладают массой, но результаты исследований последних лет показали, что это не так. Чтобы определить точную массу частицы, надо постепенно сужать диапазон между верхним и нижним пределом значения.

Ученые Технологического института в Карлсруэ (Германия) в рамках эксперимента KATRIN определили новое значение верхнего предела массы нейтрино. Оно составляет 1,1 электронвольта (прежнее значение — 0,55). Исследователи применили 200-тонный электронный спектрометр, который используется для изучения распада трития — радиоактивного изотопа водорода. Когда тритий распадается, он порождает единственный электрон и нейтрино одновременно. Определение начальной энергии трития и измерения энергии этого электрона высокочувствительным спектрометром позволяют вычислить массу нейтрино с достаточно высокой точностью.

Расщепление фотона

Физики из Института квантовых вычислений канадского Университета Ватерлоо впервые расщепили фотон на три фотона. «Технология расщепления фотона на два была рабочей лошадкой исследований в области квантовой механики более 30 лет, — рассказывает профессор Крис Уилсон. — Возможность расщепления фотона на три ложится в основу совершенно новых парадигм квантовой оптики и открывает новую область исследований».

Для расщепления частицы света ученые применили метод, основанный на SPDC (spontaneous parametric down-conversion, спонтанное параметрическое рассеяние). Три фотона практически идентичны, скоро ученые проверят, есть ли между ними квантовая запутанность.

Есть интересная история?

Напишите нам

Об устройстве Вселенной – простыми словами. Поймет даже ребенок

О темной материи и энергии, зачем они нужны, и что ждет нашу Вселенную.

Астрономы и ученые всегда размышляли над важными вопросами. Есть ли во Вселенной еще кто-то, кроме нас? Как все связано между собой? Быть может, космос состоит из того, о чем мы еще не знаем? Но в последнее время все чаще всплывают вопросы о темной материи. Мол, что это такое и почему ее так упорно ищут ученые. В чем вообще состоит идея «темного потока» нашей Вселенной?

Предлагаем на секунду представить, что вы – выпускник Межгалактической школы из галактики Андромеда, который вместе с другом поступил во Вселенский университет галактики Млечный Путь. Вероятно, по праздникам и выходным вы захотите навещать своих близких, поэтому вам придется ездить из одной галактики в другую. И когда вы в очередной раз приедете домой в Андромеду, то обнаружите, что путь обошелся вам дороже, чем в прошлый уикенд. А прошлая поездка, в свою очередь, была дороже предшествующей.

В этот момент вы наверняка заподозрили бы что-то неладное. И не зря. На самом деле каждый раз ваша поездка длилась все дольше и дольше, потому что вы путешествовали на большее расстояние. Но как это возможно, если пункты отправления и назначения остались прежними? Ответ кроется в скрытом мире темной материи.

Понимание, как и объяснение темной материи и энергии, может быть сложным. В конце концов даже ведущие ученые мира не совсем уверены, что представляет собой все вышеперечисленное. К тому же доказать их существование они могут лишь по влиянию, которое темная материя и энергия оказывают на Вселенную.

Так как же работает темная материя? И что такое темная энергия? И почему путешествие домой в Андромеду каждый раз занимает все больше времени?

Ниже вы найдете несколько фактов, которые объясняют, что сегодня известно ученым о темной материи и энергии и как, по их мнению, это влияет на нашу Вселенную и будущее всего человечества.

^{RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION}

В учебниках не найти достоверной информации о составе Вселенной

В школе нас учили, что Вселенная и все, что в ней находится, состоит из атомов. Нам рассказывали о протонах, нейтронах и электронах, о том, что они являются строительными блоками всей материи, но ученые обнаружили, что на занятиях уделяли внимание далеко не всему, что есть во Вселенной.

Оказывается, того, что состоит не из атомов, в 10 раз больше видимой материи нашей Вселенной. Лишь около 4,6% Вселенной отводится барионной материи, которую и составляют протоны, нейтроны и электроны. Современные ученые считают, что 23,3% космоса составляет темная материя, а темная энергия заполняет оставшиеся 72,1%. Хотя точные значения, естественно, колеблются.

Почти 96% Вселенной состоит из невидимой темной материи и темной энергии

^{1Gai.Ru / Kurzgesagt – In a Nutshell /YouTube}

Когда вы смотрите на ночное небо и видите, что на нем мерцают миллиарды звезд лишь в одной нашей галактике, – нетрудно представить, что космос немного переполнен. Особенно если добавить к числу звезд планеты, кометы и все, что «плавает» в космическом пространстве.

А потом вы обнаруживаете, что наш Млечный Путь – всего лишь одна галактика во Вселенной, заполненной миллиардами и миллиардами других галактик. И в каждой из этих галактик есть планеты и звезды, примерно похожие на наши… В этот момент приходит осознание, что Вселенная – действительно большое место.

И когда мы наивно полагаем, что можем видеть все ее составляющие, выясняется, что видимая часть Вселенной – лишь крошечный пазл всей космической картины. Остальные 96% Вселенной заполнены темной материей и темной энергией.

Что такое темная материя?

^{1Gai.Ru / Kurzgesagt / YouTube}

В «Звездных войнах» темную материю считают Силой, которая держит все предметы вместе. Но в мире науки все намного сложнее и более размыто. Темная материя ведет себя не так, как обычная материя, к которой привыкли ученые. Она не излучает свет, более того – она его не отражает и не поглощает.

Ученые собрали всех космических «подозреваемых», чтобы выяснить, кто из них причастен к образованию темной материи, но пока ни один из них не отвечает всем требованиям. От аксионов до черных дыр – еще ничто не может объяснить влияние темной материи на гравитацию.

Смотрите также

27 фактов, которые показывают, насколько сложна и огромна Вселенная

Темная материя удерживает все вместе

^{Nasa Goddard / YouTube}

Поскольку темная материя обладает огромным гравитационным эффектом, она влияет буквально на все во Вселенной. Созданная ей гравитация заставляет все содержимое космоса соединяться и образовывать галактики. Эти галактики, в свою очередь, собираются вместе с другими галактиками, образуя галактические скопления. А после того как они формируются и начинают вращаться, именно темная материя удерживает их, чтобы они не вылетели в открытое космическое пространство.

Представьте, что к веревке прикреплен теннисный мяч и вы вращаете его над головой. Мяч – это галактика, а вы – гравитация. Если бы теннисный мяч был шаром для боулинга, ваша гравитация не помешала бы ему порвать веревку и улететь в космос. Темная материя – это то, что делает эту веревку достаточно прочной, чтобы удерживать предметы на своих местах.

Темная материя + вся остальная материя – это даже не половина Вселенной

^1Gai.Ru

Из чего же состоит остальная часть Вселенной? Из темной энергии! Она составляет от 68 до 72% всей Вселенной. И если темная материя работает как космический магнит, обладая гравитационным притяжением, темная энергия действует наоборот – отталкивает предметы друг от друга.

Если нарисовать картину Вселенной большими мазками, то можно сказать, что одна ее половина пытается удержать все вместе, а другая – пытается это раздвинуть.

Что такое темная энергия?

^{Фольк Спрингель / MPE / Kavli Foundation}

Даже ученые не знают, что такое темная энергия! Она похожа на невидимого злого двойника темной материи, за исключением того, что темная материя создает притягивающую гравитацию, а темная энергия – отталкивающую. Другими словами, антигравитацию. Это значит, что темная энергия отдаляет предметы все дальше друг от друга, заставляя Вселенную расширяться. Почти так же, как воздушный шар увеличивается в размерах, когда вы наполняете его воздухом.

Если ученые не видят темную материю, откуда они знают, что она есть?

^{Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, США / Flickr}

Это похоже на явление «ходячих деревьев»: мы видим, как деревья самостоятельно перемещаются на некоторое расстояние, и мы точно знаем, что у них нет ног. Но должна быть какая-то причина, объясняющая их медленное передвижение. Так происходит и с темной материей. Используя метод гравитационного линзирования, ученые могут видеть, как искажается свет под влиянием темной материи.

Точно так же, как мы знаем, что гравитационное притяжение внутри черных дыр настолько велико, что выйти из них не под силу даже свету, – ученые знают, что когда темная материя создает достаточную гравитацию, она влияет на поведение сталкивающегося с ней света.

Как проще всего представить устройство нашей Вселенной?

^tenor.com

Чтобы получить ясное представление о том, что происходит в нашей Вселенной, достаточно взглянуть на глобус. Представьте, что это наша Вселенная, а части суши – галактики, которые удерживает темная материя. Вода, как и темная энергия во Вселенной, составляет 70% поверхности планеты.

Теперь представьте, что глобус на самом деле становится больше, а галактики остаются прежними. Они просто отдаляются друг от друга по мере расширения Мирового океана. Таким образом, нам будет требоваться все больше и больше времени, чтобы добираться с одного острова или материка на другой – ведь они отдаляются друг от друга. Получается, темная энергия не разрывает наши планеты или галактики на кусочки, а просто обеспечивает постоянное расширение нашей Вселенной.

Смотрите также

14 фактов о космосе, которые напомнят насколько сложна Вселенная

Для измерения расстояния в космосе нужны нестандартные методы

^{essaydocs. org}

Здесь, на Земле, любой из нас может взять линейку или рулетку, чтобы определить, как далеко один объект находится от другого. Но как ученые измеряют расстояние от одной планеты до другой? Или, раз уж на то пошло, как далеко находятся друг от друга галактики? Ученые используют свет, который излучают определенные звезды.

Это все равно что выяснить ночью, как далеко друг от друга находятся две машины, измерив яркость фар. Чем ближе они подъедут, тем ярче будет их свет. Именно этот метод Эдвин Хаббл использовал для того, чтобы понять, что звезды, на которые он смотрел, находились за пределами нашей галактики.

Молодой астроном Эдвин Хаббл навсегда изменил представление о Вселенной

6 октября 1923 года Хаббл обнаружил галактики, которые находились далеко за пределами нашего Млечного Пути. У каждой из них были миллиарды звезд и планет, каждая имела собственную Солнечную систему. В тот момент Вселенная в том виде, в каком ее знали люди, вышла за пределы человеческого воображения.

Как и раньше, чем больше ученые узнавали о космосе, тем больше загадок им предстояло разгадать. Темная материя до сих пор остается одной из них. Но с появлением космического телескопа Хаббл ученые смогли подобраться к отгадке ближе, чем когда-либо.

Фриц Цвикки смог открыть невидимое

^{britannica.com}

Фриц Цвикки был астрономом, проводившим исследования движения галактик в скоплении. Он пришел к выводу, что движение в этих галактиках происходит слишком быстро, чтобы оставаться в их гравитационных полях.

Это подобно катанию на карусели, которая вращается с большой скоростью: если бы не было сиденья и специальных ремней, которые удерживали вас на месте, вас бы отбросило в сторону. Цвикки знал, что единственное объяснение состоит в том, что для учета силы тяжести должно быть намного больше материи, хотя он и не мог ее видеть. Так в 1933 году Цвикки открыл и ввел термин «темная материя».

Темная материя может рассказать нам много нового о зарождении жизни на Земле

MARK GARLICK/SCIENCE LIBRARY

Если бы ученые смогли обнаружить и проанализировать темную материю, они смогли бы заглянуть в прошлое, как через окно времени, и увидеть, что происходило через тысячную долю секунды после Большого взрыва. Именно в этот момент Вселенная начала расти. Именно тогда появилось все, что существует сегодня.

Хотя после взрыва должно пройти еще 380 тысяч лет, прежде чем частицы начнут соединяться друг с другом, образуя сгустки вещества, которые в итоге будут втянуты в паутину темной материи и образуют галактики.

Смотрите также

26 картинок, которые раскроют факты о космосе и Вселенной

Темная энергия может разрушить Вселенную

^{Люси Ридинг-Икканда / Quanta Magazine}

Несмотря на то что темная энергия может разрушить Вселенную, не спешите паниковать. Этого не произойдет как минимум еще триллион лет. А за это время может случиться многое. Ученые даже могут придумать, как создать совершенно новую Вселенную в лабораторных условиях.

Но в то же время может произойти и так, что темная энергия будет продолжать отдалять галактики все дальше друг от друга, пока наш маленький Млечный Путь в полном одиночестве не останется дрейфовать посреди бесконечного моря тьмы, теряя все свое тепло и постепенно замерзая.

Может ли Вселенная самоуничтожиться?

^WIKIMEDIA

Эдвин Хаббл первым обнаружил, что Вселенная расширяется. Считалось, что внешний импульс в итоге замедлится, остановится, а затем развернется вспять. Это очень похоже на то, как если бы вы подбросили мяч в небо, он достиг определенной точки, где его преодолела бы сила тяжести, и упал вниз.

Представьте, как были удивлены ученые, когда они обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это происходит из-за того, что отталкивающая гравитация темной энергии усиливается, в то время как притягивающая сила притяжения темной материи ослабляется, потому что галактики все больше отдаляются друг от друга.

Однако некоторые ученые полагают, что в какой-то момент быстрое расширение остановится и обратится вспять, сомкнувшись так же быстро, как расширялась Вселенная. Этот сценарий известен как теория Большого сжатия.

По мере расширения наших знаний расширяется и наша Вселенная

^{pinterest. ru/pin/512003051384244057}

В течение очень долгого времени люди действительно верили, что Земля плоская. Моряки боялись, что если они уплывут слишком далеко в океан, то окажутся за пределами края планеты. И хотя Христофору Колумбу ошибочно приписывают доказательство того, что Земля имеет форму шара, именно астрономы выяснили, что наша планета вовсе не плоская и вращается вокруг Солнца, а не наоборот.

Но даже после этого открытия, которое, по меркам того времени, было совершенно удивительным, астрономы не могли и предположить, какие находки ждали их впереди. Чем глубже могли заглядывать люди в космос, тем глубже и обширнее становилась наша Вселенная.

Смотрите также

5 поразительных фактов о Вселенной от астрофизика Нила Деграсса Тайсона

Смотрите также

15 фактов о размерах Вселенной, которые пополнят ваш багаж знаний

Смотрите также

Научные факты о космосе, которые стали известны в 2019 году

^{Обложка: 1Gai. Ru}

Темная материя | CERN

Галактики в нашей Вселенной, похоже, совершают невероятный подвиг. Они вращаются с такой скоростью, что гравитация, создаваемая их наблюдаемой материей, не может удерживать их вместе; они давно должны были разорваться. То же самое относится и к галактикам в скоплениях, что заставляет ученых полагать, что работает что-то, чего мы не видим. Они думают, что что-то, что нам еще предстоит обнаружить напрямую, придает этим галактикам дополнительную массу, создавая дополнительную гравитацию, необходимую им, чтобы оставаться неповрежденными. Эту странную и неизвестную материю назвали «темной материей», поскольку она невидима.

Темная материя

В отличие от обычной материи, темная материя не взаимодействует с электромагнитным полем. Это означает, что он не поглощает, не отражает и не излучает свет, что делает его чрезвычайно трудным для обнаружения. На самом деле, исследователи смогли сделать вывод о существовании темной материи только из гравитационного эффекта, который она оказывает на видимую материю. Темная материя, кажется, перевешивает видимую материю примерно в шесть раз, составляя около 27% Вселенной. Вот отрезвляющий факт: известная нам материя, из которой состоят все звезды и галактики, составляет лишь 5% содержимого Вселенной! Но что такое темная материя? Одна из идей состоит в том, что он может содержать «суперсимметричные частицы» — гипотетические частицы, которые являются партнерами уже известных в Стандартной модели. Эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК) могут дать более прямые сведения о темной материи.

Многие теории утверждают, что частицы темной материи должны быть достаточно легкими, чтобы их можно было произвести на БАК. Если бы они были созданы на БАК, то прошли бы через детекторы незамеченными. Однако они унесли бы энергию и импульс, поэтому физики могли сделать вывод об их существовании по количеству энергии и импульса, «отсутствующих» после столкновения. Кандидаты в темную материю часто возникают в теориях, которые предлагают физику за пределами Стандартной модели, например суперсимметрию и дополнительные измерения. Одна теория предполагает существование «Скрытой долины», параллельного мира, состоящего из темной материи, имеющей очень мало общего с материей, которую мы знаем. Если бы одна из этих теорий оказалась верной, это могло бы помочь ученым лучше понять состав нашей Вселенной и, в частности, то, как галактики удерживаются вместе.

Темная энергия

Темная энергия составляет примерно 68% Вселенной и, по-видимому, связана с вакуумом в космосе. Он равномерно распределяется по Вселенной не только в пространстве, но и во времени — иными словами, его действие не ослабевает по мере расширения Вселенной. Равномерное распределение означает, что темная энергия не оказывает никакого локального гравитационного воздействия, а оказывает глобальное влияние на Вселенную в целом. Это приводит к силе отталкивания, которая стремится ускорить расширение Вселенной. Скорость расширения и его ускорение можно измерить с помощью наблюдений, основанных на законе Хаббла. Эти измерения вместе с другими научными данными подтвердили существование темной энергии и дают оценку того, сколько существует этого таинственного вещества.

Министерство энергетики объясняет… Темная материя | Департамент энергетики

Управление
Наука

Детектор темной материи на основе ксенона LUX-ZEPLIN собирается в Сэнфордском подземном исследовательском центре.

Фото предоставлено Мэтью Капустом, Сэнфордский подземный исследовательский центр. Однако мы мало что знаем о нем, кроме того, что он взаимодействует с обычным веществом только посредством гравитации. Несмотря на отсутствие у нас знаний, у ученых есть неопровержимые косвенные доказательства существования темной материи. Например, благодаря существованию темной материи ученые могут объяснить, как вращаются галактики и как формируется и развивается крупномасштабная структура Вселенной. Термин «темная материя» был введен в 1933 Фрица Цвикки из Калифорнийского технологического института для описания невидимой материи, которая должна доминировать над одной особенностью Вселенной — скоплением галактик Кома. Галактики в скоплении Волос двигались слишком быстро для такой огромной массы, как казалось, и темная материя была потенциальным объяснением. В 1970-х годах Вера Рубин из Института Карнеги нашла доказательства существования темной материи в своих исследованиях вращения галактик. Но природа темной материи остается загадкой.

У ученых есть несколько кандидатов на типы частиц, из которых состоит темная материя. Одна из возможностей заключается в том, что темная материя состоит из вимпов (слабо взаимодействующих массивных частиц), масса которых в 1–1000 раз превышает массу протона. Другим кандидатом является аксион, частица в десять триллионных масс электрона. Теоретически аксионы могли бы превратиться в частицу обнаруживаемого света (называемую фотоном) в присутствии сильного магнитного поля. С другой стороны, темная материя также может существовать в виде богатого и сложного набора частиц.

Управление науки Министерства энергетики США: Вклад в изучение темной материи

Программа Управления науки Министерства энергетики США по физике высоких энергий поддерживает исследования темной материи с помощью дополнительных экспериментов, некоторые из которых проводятся в партнерстве с Национальным научным фондом и другими агентствами. Исследователи используют большие чувствительные детекторы, расположенные глубоко под землей, для непосредственного поиска частиц темной материи, которые могут постоянно проходить через Землю. Исследователи также могут косвенно обнаруживать темную материю по специфическим сигнатурам космических лучей и гамма-лучей. Ученые ищут эти сигнатуры с помощью космических и наземных обсерваторий. Исследователи также пытаются создать темную материю с помощью ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер и различные пользовательские объекты Управления науки Министерства энергетики США.

Факты о темной материи

Темная материя составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной, что более чем в пять раз больше, чем всей обычной материи.
Темная материя сыграла важную роль в формировании галактик.
Исследователи используют астрономические исследования для построения карт расположения темной материи во Вселенной на основе того, как свет от далеких галактик изгибается, когда он движется к нам.