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

Тёмная материя | это… Что такое Тёмная материя?

Состав Вселенной по данным WMAP

Тёмная материя в астрономии и космологии — форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Данные наблюдений

Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения. ^[1]

Непосредственное изучение распределения тёмной материи в скоплениях галактик стало возможным после получения их высокодетализированных изображений в 1990-х годах. При этом изображения более удалённых галактик, проецирующихся на скопление, оказываются искажёнными или даже расщепляются из-за эффекта гравитационного линзирования. По характеру этих искажений становится возможным восстановить распределение и величину массы внутри скопления независимо от наблюдений галактик самого скопления. Таким образом, прямым методом подтверждается наличие скрытой массы и тёмной материи в галактических скоплениях.^[2]

Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц темной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными^[3][4][5].

Кандидаты на роль темной материи

Барионная тёмная материя

Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. В состав тёмного вещества могут входить многие уже обнаруженные космические объекты, как то: тёмные галактические гало, коричневые карлики и массивные планеты, компактные объекты на конечных стадиях эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Кроме того, такие гипотетические объекты, как кварковые звёзды, Q-звёзды и преонные звёзды также могут являться частью барионной тёмной материи.

Проблемы такого подхода проявляются в космологии Большого взрыва: если вся тёмная материя представлена барионами, то соотношение концентраций лёгких элементов после первичного нуклеосинтеза, наблюдаемое в самых старых астрономических объектах, должно быть другим, резко отличающимся от наблюдаемого. Кроме того, эксперименты по поиску гравитационного линзирования света звёзд нашей Галактики показывают, что достаточной концентрации крупных гравитирующих объектов типа планет или чёрных дыр для объяснения массы гало нашей Галактики не наблюдается, а мелкие объекты достаточной концентрации должны слишком сильно поглощать свет звёзд.

Небарионная тёмная материя

Теоретические модели предоставляют большой выбор возможных кандидатов на роль небарионной невидимой материи. Перечислим некоторые из них.

Лёгкие нейтрино

В отличие от остальных кандидатов, нейтрино обладают явным преимуществом: известно, что они существуют. Поскольку число нейтрино во Вселенной сравнимо с числом фотонов, то, обладая даже малой массой, нейтрино вполне могут определять динамику Вселенной. Для достижения , где — так называемая критическая плотность , необходимы нейтринные массы порядка эВ, где обозначает число типов легких нейтрино. Эксперименты, проводимые на сегодняшний день, дают оценку масс нейтрино порядка эВ. Таким образом, лёгкие нейтрино практически исключаются в качестве кандидата на доминирующую фракцию тёмной материи.

Тяжёлые нейтрино

Из данных о ширине распада Z-бозона следует, что число поколений слабо взаимодействующих частиц (в том числе нейтрино) равно 3. Таким образом, тяжёлые нейтрино (по крайней мере, с массой менее 45 ГэВ) с необходимостью являются т. н. «стерильными», то есть не взаимодействующими слабым образом частицами. Теоретические модели предсказывают массу в очень широком диапазоне значений (в зависимости от природы этого нейтрино). Из феноменологии для следует диапазон масс приблизительно эВ, таким образом, стерильные нейтрино вполне могут составлять существенную часть тёмной материи.

Суперсимметричные частицы

В рамках суперсимметричных (SUSY) теорий существует по меньшей мере одна стабильная частица, которая является новым кандидатом на роль тёмной материи. Предполагается, что эта частица (LSP) не принимает участия в электромагнитном и сильном взаимодействиях. В качестве LSP-частицы могут выступать фотино, гравитино, хиггсино (суперпартнеры фотона, гравитона и бозона Хиггса соответственно), а также снейтрино, вино, и зино. В большинстве теорий LSP-частица представляет собой комбинацию перечисленных выше SUSY-частиц с массой порядка 10 ГэВ.

Космионы

Космионы были введены в физику для разрешения проблемы солнечных нейтрино, состоящей в существенном отличии потока нейтрино, детектируемых на Земле, от значения, предсказываемого стандартной моделью Солнца. Однако эта проблема нашла разрешение в рамках теории нейтринных осцилляций и эффекта Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, так что космионы, по всей видимости, исключаются из претендентов на роль тёмной материи.

Топологические дефекты пространства-времени

Согласно современным космологическим представлениям энергия вакуума определяется неким локально однородным и изотропным скалярным полем. Это поле необходимо для описания так называемых фазовых переходов вакуума при расширении Вселенной, во время которых происходило последовательное нарушение симметрии, приводящее к разъединению фундаментальных взаимодействий. Фазовый переход — это скачок энергии вакуумного поля, стремящегося к своему основному состоянию (состоянию с минимальной энергией при данной температуре). Различные области пространства могли испытывать такой переход независимо, в результате чего образовывались области с определенной «выстроенностью» скалярного поля, которые, расширяясь, могли войти в соприкосновение друг с другом. В точках встречи областей с различной ориентацией могли образоваться стабильные топологические дефекты различной конфигурации: точечно-подобные частицы (в частности, магнитные монополи), линейные протяжённые объекты (космические струны), двумерные мембраны (доменные стенки), трехмерные дефекты (текстуры). Все эти объекты обладают, как правило, колоссальной массой и могли бы давать доминирующий вклад в тёмную материю. На текущий момент (2012 год) подобные объекты во Вселенной не обнаружены.

Классификация тёмной материи

В зависимости от скоростей частиц, из которых, предположительно, состоит тёмная материя, её можно разделить на несколько классов.

Горячая тёмная материя

Состоит из частиц, движущихся со скоростью, близкой к световой — вероятно, из нейтрино. Эти частицы имеют очень маленькую массу, но всё же не нулевую, и учитывая огромное количество нейтрино во Вселенной (300 частиц на 1 см³), это даёт огромную массу. В некоторых моделях на нейтрино приходится 10 % тёмной материи.

Эта материя из-за своей огромной скорости не может образовывать стабильные структуры, но может влиять на обычное вещество и другие виды тёмной материи.

Тёплая тёмная материя

Материю, движущуюся с релятивистскими скоростями, но ниже, чем у горячей тёмной материи, называют «тёплой». Скорости её частиц могут лежать в пределах от 0,1c до 0,95c. Некоторые данные, в частности, температурные колебания фонового микроволнового излучения, дают основания полагать, что такая форма материи может существовать.

Пока нет никаких кандидатов на роль составляющих тёплой тёмной материи, но возможно, стерильные нейтрино, которые должны двигаться медленнее обычных трёх ароматов нейтрино, могут стать одним из них.

Холодная тёмная материя

Тёмную материю, которая движется при классических скоростях, называют «холодной». Этот вид материи представляет наибольший интерес, так как, в отличие от тёплой и горячей тёмной материи, холодная может образовывать стабильные формирования, и даже целые тёмные галактики.

Пока частицы, подходящие на роль составных частей холодной тёмной материи, не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы — вимпы, такие как аксионы и суперсимметричные партнёры-фермионы лёгких бозонов — фотино, гравитино и другие.

Смешанная тёмная материя

До предложения теории тёмной энергии была разработана перспективная модель тёмной материи, состоящей из холодной и горячей материи в определённых пропорциях.

Обнаружение

Основная трудность при поиске частиц тёмной материи заключается в том, что все они электрически нейтральны. Имеются два варианта поиска: прямое и косвенное. При прямом поиске изучаются следствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами с помощью наземной аппаратуры. Косвенные методы основаны на попытках обнаружения потоков вторичных частиц, которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.

Эксперимент EDELWEISS направлен на прямое обнаружение частиц WIMP. В качестве мишени служат полупроводниковые детекторы, охлаждённые до температуры в несколько мК.

Альтернативные теории

Модифицированная ньютоновская динамика

В массовой культуре

• В серии игр Mass Effect тёмная материя и тёмная энергия в форме так называемого «Нулевого элемента» необходимы для движения со сверхсветовыми скоростями. Некоторые люди, биотики, используя тёмную энергию, могут контролировать поля эффекта массы.
• В мультсериале «Футурама» тёмная материя используется в качестве топлива для космического корабля компании «Межпланетный экспресс». Появляется материя на свет в виде испражнений инопланетной расы «зубастильонцы» и по плотности крайне велика.

См. также

• Тёмная энергия
• Скрытая масса
• Тёмная звезда

Примечания

1. ↑ Dodelson, Scott. Ch. 7. Inhomogeneities // Modern Cosmology. — Academic Press, 2003. — P. 208—209. — ISBN 978-0-12-219141-1
2. ↑ Clowe Douglas et al. A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter (англ.) // The Astrophysical Journal Letters.  — 2006. — Vol. 648. — № 2. — P. L109–L113. — DOI:10.1086/508162 — Bibcode: 2006ApJ…648L.109C — arΧiv:astro-ph/0608407
3. ↑ C. Moni Bidin et al. Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk. II. A lack of dark matter in the solar neighborhood (англ.) // The Astrophysical Journal. — 2012.
4. ↑ Serious Blow to Dark Matter Theories?
5. ↑ В окрестностях Солнца темной материи не обнаружено Inforigin — 19.04.12

Литература

• Сайт Modern Cosmology, содержащий в том числе подборку материалов по тёмной материи.
• Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, А.Штаудт Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука, Физматлит, 1997.

Ссылки

• С. М. Биленький, Массы, смешивание и осцилляции нейтрино, УФН 173 1171—1186 (2003)
• В. Н. Лукаш, Е. В. Михеева, Темная материя: от начальных условий до образования структуры Вселенной, УФН 177 1023—1028 (2007)
• Д. И. Казаков «Темная материя», из цикла лекций в проекте «ПостНаука» (видео)
• Анатолий Черепащук. «Новые формы материи во Вселенной, ч. 1» — Тёмная масса и тёмная энергия, из цикла лекций «ACADEMIA» (видео)

Темная материя — невидимая и неуловимая

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

Александр Березин

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

Карнавал проблем

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

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

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

Мириады дыр

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

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

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

Реликты перерождений

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

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

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

Великая праматерь

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

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

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

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

Что такое темная материя. Как люди узнали о ее существовании?

Темная материя — это невидимая форма материи, обладающая массой. Она не излучает и не поглощает тепло, свет или другие электромагнитные волны. Кроме того, он «слабо» взаимодействует с обычным веществом, что делает его еще более незаметным.

Из всех областей науки одной из самых популярных является астрономия, и не зря. Люди всегда задумывались о мерцающих звездах, сияющей Луне и случайных метеоритах, освещающих ночное небо! С момента изобретения телескопа наше любопытство к миру за пределами нашей планеты только увеличилось.

С помощью продвинутых космических телескопов, таких как Хаббл, мы можем заглянуть вглубь космоса и обнаружить даже те древние галактики, которые образовались сразу после Большого взрыва. Фактически, именно при взгляде на одну из этих нетронутых галактик была впервые задумана одна из самых больших загадок Вселенной — темная материя!

Истоки темной материи

В начале 1600-х годов Иоганн Кеплер определил, что чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее её вращение вокруг Солнца. Несколько десятилетий спустя пришел Ньютон и заложил фундаментальные законы гравитации, которые позволили нам измерить эту невероятно важную силу. Используя закон всемирного тяготения Ньютона, мы вычислили гравитацию Солнца, которая, в свою очередь, дала нам подробную информацию о массе Солнца. С дальнейшим развитием телескопов и других астрономических технологий ученые начали применять закон тяготения Ньютона к вращающимся галактикам.

Открытие Фрица

В 1930-х годах швейцарский астроном по имени Фриц Цвикки исследовал галактики в скоплении Кома. Он отметил, что несколько галактик движутся с очень высокой скоростью. Их скорость была столь велика, что они больше не могут оставаться гравитационно связанными и неизбежно распадутся.

Он предположил, что потребуется примерно в 100 раз больше материи, чтобы оправдать непомерную скорость удаления этих галактик. Он с подозрением относился к этой загадочной материи, но был уверен, что ее нельзя увидеть, как обычную материю. Таким образом, он назвал это темной материей. Неудивительно, что научное сообщество в то время не приняло всерьез идею Фрица.

Доказательство Рубин

Потребовалось еще 40 лет, чтобы его идею приняли. В 1970-х годах другой астроном по имени Вера Рубин изучала спиральные галактики. Как и Цвикки, она ожидала увидеть, что по мере удаления от центра галактики газовые облака должны двигаться медленнее, в соответствии с законами гравитации Ньютона.

Однако, она заметила обратное. Она увидела, что для многих галактик в скоплении скорость увеличивалась по мере отдаления от центра. Для некоторых галактик перемещение от центра не повлияло на скорость вообще. Это наблюдение подразумевало, что вместо сосредоточения в центре, масса галактики распределялась по всему диску. Несмотря на цифры, не было достаточно видимого материала, чтобы объяснить эту скорость.

Единственным объяснением, которое могло оправдать эту аномалию, было некое невидимое вещество, имеющее массу. Эта загадочная материя была предложена как невидимая, поскольку ее нельзя было обнаружить, как звезды, газ, пыль и другие известные небесные тела. Кроме того, этот материал необходимо было распределить по диску, чтобы обеспечить правильное вращение. Рубин подсчитала, что эта невидимая темная материя была примерно в 5-6 раз массивнее всей остальной массы обычной материи. Вы также можете прочитать описание теории струн простыми словами.

Темная материя: тайна до сих пор не раскрыта

После наблюдения Рубин было проведено еще много исследований в попытках раскрыть секреты темной материи. По иронии судьбы, самое примечательное в материи то, что мы почти ничего о ней не знаем! В ходе исследований удалось подтвердить, что темная материя имеет массу, но, в отличие от обычной материи, она не излучает и не поглощает тепло, свет или любые другие электромагнитные волны.

Материал, с которым мы знакомы в космосе, в основном состоит из барионной материи, то есть из протонов, нейтронов и электронов. Однако большинство ученых считает, что темная материя вряд ли будет барионной, поскольку она не проявляет свойств обычной материи. Скорее всего, она небарионная.

Таким образом, возникает вопрос… если она небарионная, то из чего состоит темная материя? Несколько исследований ведутся в настоящее время, но пока что мы не добились большого успеха. При этом существует несколько гипотез. Первая — это гипотетическая субатомная частица, называемая аксионом.

Аксион — это предполагаемая частица, которая берет свое начало в теории квантовой механики. Его существование не было подтверждено напрямую, но свойства аксионов очень похожи на свойства темной материи. Аксионы обладают массой и не излучают много света. В результате их физическая структура будет лишена люминесценции и будет темной. Исследования продолжаются, но аксионы по-прежнему остаются неуловимыми.

Еще одна предлагаемая частица, которая может быть основным строительным блоком темной материи, — это WIMP. WIMP — это слабовзаимодействующие массивные частицы. Это также гипотетическая идея, не подтвержденная эмпирически. Предлагаемая частица не имеет электрического заряда. Их называют «слабыми», потому что они слабо взаимодействуют с обычной материей. Их взаимодействие настолько слабое, что многие ученые предполагают, что оно может проходить через нас без нашего ведома.

Используя WIMP, астрофизики пытались объяснить несколько загадок космоса, в том числе то, почему внешние края некоторых галактик вращаются быстрее, чем центр. Фактически, в научном сообществе идея WIMP предпочитается другим конкурирующим идеям. Хотя WIMP помогает разгадывать довольно много загадок космоса, он не решает их все.

Например, когда ученые пытались применить модель WIMP и провести компьютерное моделирование галактик, подобных Млечному Пути, симуляция предсказала присутствие нескольких сотен небольших галактик-спутников вокруг внешней периферии Млечного Пути. Однако, когда астрономы попытались установить это эмпирически, они смогли обнаружить только около двадцати из них. Эти аномалии выявили слабость теории WIMP. Астрофизики по всему миру пытаются придумать улучшенную модель теории WIMP, которая могла бы устранить эти несоответствия.

А теперь давайте посмотрим на некоторые из более крупных экспериментов по раскрытию тайн темной материи.

В поисках темной материи

Одна из самых известных работ, связанных с темной материей, осуществляется в подземном исследовательском центре Сэнфорда под знаменем большого подземного эксперимента с темным ксеноном, или LUX. Для изучения вимпов в лаборатории на глубине в несколько сотен метров проводятся эксперименты с темной материей.

Комплекс расположен под землей, потому что для обнаружения темной материи необходима изолированная среда. Не может быть большого влияния внешнего шума или другого излучения, которое обычно присутствует в атмосфере Земли. Тысячи футов скалы используются в качестве виртуального щита для максимальной защиты подземной исследовательской лаборатории от внешнего вмешательства. В основе проекта LUX по темной материи лежит изолированный резервуар для воды объемом 80 000 галлонов, содержащий воду высокой степени очистки для обнаружения присутствия вимпов.

Внутри этого бака находится еще один бак, заполненный переохлажденным жидким ксеноном. Идея состоит в том, что если какая-либо темная материя пройдет через этот резервуар и столкнется с атомом ксенона в этой изолированной среде, встроенные в резервуар датчики обнаружат загадочную темную материю. Несмотря на эти огромные усилия, нам еще не удалось найти WIMP. Многие ученые полагают, что, поскольку WIMP по своей природе обманчив и слаб, их почти невозможно обнаружить с помощью датчиков, сделанных из обычной материи. В качестве детектора WIMP в LUXК используется сенон, один из самых тяжелых благородных газов и очень редкий химический элемент на Земле.

Лаборатория в CERN

Поскольку мы не можем уловить и обнаружить эти загадочные частицы, как насчет создания их в лаборатории? В ЦЕРНе в Швейцарии продолжается проект по созданию темной материи путем воссоздания Большого взрыва. В CERN существует обширная сеть труб / туннелей, которые пересекаются в некоторых точках так называемого Большого Адронного Коллайдера.

Основная идея этого проекта состоит в том, чтобы запустить пучок протонов с одного направления через один из длинных тоннелей, а затем запустить другой пучок протонов с противоположного конца. Конструкция коллайдера такова, что есть четыре точки, где две фотонесущие трубы пересекаются.

Продолжаются попытки увидеть, как эти лучи сталкиваются с нужной скоростью, чтобы вызвать взрыв, в результате чего вокруг будет разбросана масса частиц. Исследователи ожидают, что среди них будет темная материя. Короче говоря, одна из самых больших машин в мире используется для обнаружения одной из мельчайших частиц, когда-либо предполагавшихся при попытке воссоздать Большой взрыв!

Несмотря на наши усилия по раскрытию темной материи, особых успехов пока не наблюдается. Однако, если нам удастся решить загадку, это коренным образом изменит физику в том виде, в каком мы ее знаем — точно так же, как законы движения Исаака Ньютона или теории относительности Альберта Эйнштейна изменили мир. Возможно, тогда у нас был бы лучший ответ на некоторые фундаментальные вопросы, в том числе — в какой вселенной мы живем ?!

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 для темной материи.

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

Связанные : Галерея изображений: Темная материя во Вселенной

Почему мы думаем, что темная материя существует?

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

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

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

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

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

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

Подавляющее большинство астрономического сообщества сегодня признает существование темной материи.

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

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

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

Откуда берется темная материя?

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

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

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

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

Как ученые изучают темную материю?

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

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

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

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

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

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

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

Связанное содержание:

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

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

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

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

«Обнаруженный нами сигнал не может быть объяснен предлагаемыми 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 Ферми США (Fermilab), которая проводит высокоэнергетические эксперименты на передовых коллайдерах частиц с целью обнаружения частиц, которые могли бы заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Европейская организация ядерных исследований (CERN ), крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц, также занимается поиском пропавших частиц темной материи. НАСА обсуждает разницу между темной материей и темной энергией в эта статья .

Библиография

НАСА, темная энергия, темная материя

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

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

ЦЕРН, Dark Matter

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

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

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

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

Что такое темная материя? | Космос

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

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

Что такое темная материя и почему она невидима?

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

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

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

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

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

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

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

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

Связанные : Галерея изображений: Темная материя во Вселенной

Почему мы думаем, что темная материя существует?

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

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

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

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

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

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

Подавляющее большинство астрономического сообщества сегодня признает существование темной материи.

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

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

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

Откуда берется темная материя?

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

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

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

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

Как ученые изучают темную материю?

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

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

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

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

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

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

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

Связанное содержание:

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

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

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

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

«Обнаруженный нами сигнал не может быть объяснен предлагаемыми 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 Ферми США (Fermilab), которая проводит высокоэнергетические эксперименты на передовых коллайдерах частиц с целью обнаружения частиц, которые могли бы заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Европейская организация ядерных исследований (CERN ), крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц, 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

Откуда ученые знают о существовании темной материи? · Frontiers for Young Minds

Abstract

Мы еще многого не знаем о Вселенной. Понимание существования и состава загадочной субстанции, называемой темной материей, является одной из главных задач, с которыми сегодня сталкиваются ученые. Существует множество теорий о том, чем может быть темная материя, но нам еще предстоит понять ее истинную природу. Откуда мы вообще знаем, что такая вещь существует? Самая большая проблема для изучения темной материи заключается в том, что мы не можем ее видеть. В этой статье мы обсудим, как ученые используют науку и наблюдения в телескопы, чтобы предсказать существование темной материи, и почему ученые считают, что она пронизывает каждый уголок нашей Вселенной.

Что такое темная материя? это даже реально?

Когда мы смотрим в ночное небо, мы замечаем, что оно заполнено тысячами звезд. Эти яркие небесные тела включают в себя планеты в нашей Солнечной системе, звезды в нашей галактике и целые галактики, которые находятся далеко-далеко. Эти объекты составляют всю излучающую свет материю во Вселенной. С помощью различных видов телескопов мы можем наблюдать за этими небесными телами через свет, который они излучают. Некоторые телескопы могут обнаруживать свет с расстояния в миллионы световых лет. Фактически, один супертелескоп, о котором вы, возможно, слышали, телескоп Хаббла, может видеть на расстоянии более 13,4 миллиарда световых лет [1]! Все телескопы работают, обнаруживая свет в электромагнитный спектр , от видимого света до рентгеновских лучей, испускаемый этими небесными телами. Ученые используют различные длины волны обнаруженного света для определения ключевой информации о небесных телах нашей Вселенной, такой как расстояние до них, возраст, размер и форма. Они даже могут использовать часть этой информации, чтобы понять законы Вселенной. Однако во Вселенной существует материи , которая не излучает свет ни в одной части электромагнитного спектра, а это значит, что мы не можем наблюдать ее в наши телескопы. Это уникальное свойство делает невозможным наблюдение этих типов материи, поэтому ученые называют ее тёмная материя .

Некоторые ученые, особенно астрофизики , тратят много времени на создание теорий о том, чем может быть темная материя. Ученым известно, что темная материя не излучает свет ни в какой части электромагнитного спектра, но было замечено, что на темную материю влияет гравитация. Астрофизики до сих пор не уверены, что именно представляет собой темная материя. Однако они знают, чем темная материя не является, наблюдая за тем, как она ведет себя по сравнению с другими материалами. Мы знаем, что темная материя составляет ~80% от общей массы галактик [2]. Это означает, что темной материи в четыре раза больше, чем обычной материи! Если темную материю так трудно наблюдать, почему ученые считают, что она действительно существует? Доказательств в поддержку существования темной материи множество, и в следующих разделах мы рассмотрим три основных примера.

Темная материя влияет на движение звезд внутри галактик

Первый тип доказательств, подтверждающих существование темной материи, связан с тем, как темная материя влияет на движение небесных тел. В нашей Солнечной системе почти вся масса приходится на Солнце. Самые внутренние планеты, такие как Меркурий и Венера, вращаются вокруг Солнца быстрее всех. По мере удаления от Солнца скорость движения планет уменьшается. Это связано с тем, что гравитационное притяжение планет, находящихся дальше от Солнца, меньше, и, чтобы не двигаться по спирали к Солнцу или от него, они должны двигаться медленнее. Мы можем применить аналогию к галактикам. Если предположить, что яркая часть галактики показывает, где находится большая часть массы, то большая часть массы находится вблизи центра, а на тусклом краю галактики не должно быть много массы. Следовательно, объекты, вращающиеся далеко от центра галактики, должны двигаться медленнее, чем объекты ближе к центру, как и планеты в нашей Солнечной системе.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые зафиксировали входящий свет от далекой спиральной галактики (наша родная галактика, Млечный Путь, также считается спиральной галактикой) и построили график скоростей звезд в зависимости от их расстояний от центра галактики. галактика. Ученые обнаружили, что звезды ведут себя не так, как ожидалось. Они обнаружили, что звезды, находящиеся дальше от центра, двигались намного быстрее, чем предполагалось (рис. 1). Это возможно только в том случае, если во внешних частях галактик масса больше, чем мы можем наблюдать. Тот факт, что мы не можем видеть эту массу, потому что она не излучает свет, предполагает наличие темной материи.

• Рис. 1 – Зависимость между скоростью звезд и их расстоянием от центра галактики.
• Реальная наблюдаемая скорость звезд (A) , находящихся далеко от центра галактики, больше предсказанной учеными (B) . Эти данные указывают на то, что во внешней части галактики присутствует большое количество массы, которую мы не можем видеть, потому что она не излучает свет, что предполагает наличие темной материи (исходное изображение изменено PhilHibbs и лицензировано CC BY-SA). 3.0).

Темная материя мешает вычислению массы галактики

Доказательства существования темной материи не новы. Еще в 1933 году Фриц Цвикки, швейцарский астроном, одним из первых обнаружил присутствие темной материи. Цвикки изучил свет, излучаемый более чем 1000 галактик, которые являются частью скопления галактик Кома. Цвикки определил массу скопления комы двумя методами. В одном методе использовались скорости галактик, которые он определял, измеряя сдвиги в испускаемом ими свете. Второй метод расчета определял массу по полной яркости скопления. Сравнивая две полученные оценки массы, он обнаружил, что измерение скорости галактики показало, что в скоплении Комы масса в сотни раз больше, чем предсказывала оценка яркости.

Поскольку дополнительная материя не излучала свет, он сказал: «Если это подтвердится, мы получим удивительный результат: темная материя присутствует в гораздо большем количестве, чем светящаяся материя» [3]. Вскоре аналогичный результат был получен для скопления галактик в Деве. Однако методы измерения в то время не были такими точными, как современные методы, и противоречивый характер результата — что во Вселенной преобладает какая-то неизвестная темная материя — заставил ученых отвергнуть эту гипотезу почти 50 лет спустя.

Темная материя искривляет свет

Третьей областью свидетельств, подтверждающих существование темной материи, является исследование скопления Пуля, так называются две недавно столкнувшиеся галактики. Астрономы нашли способ определить массу небесного объекта, такого как галактика, с помощью метода, известного как гравитационное линзирование [4]. Гравитационное линзирование основано на том факте, что масса объекта влияет на плотность окружающего его пространства. Когда свет проходит через это плотное пространство, он искривляется. Чтобы было понятно, представим себе плоский натянутый лист. Лист представляет собой пространство, когда рядом с ним нет никаких масс. Теперь представьте, что вы кладете шар для боулинга на лист. Мы знаем, что шар для боулинга стянет простыню. Мяч будет искривлять лист подобно тому, как массы искривляют пространство-время. Когда свет проходит вблизи объекта в пространстве, он распространяется по искривленной поверхности, которая искривляет световые волны. Чем больше масса объекта, тем сильнее преломляется свет. С помощью этой теории мы можем определить массу небесного объекта, наблюдая, как сильно искривляется свет от звезды, находящейся прямо за ним.

С помощью гравитационного линзирования ученые определили общую массу Скопления Пули, включая темную материю [5]. На рисунке 2 показано, что большая часть массы скопления Пуля находится не там, где возникает источник рентгеновского излучения, то есть она не из материи, которую мы видим. Следовательно, эти галактики состоят из гораздо большего количества темной материи, чем обычной материи.

• Рис. 2. Изображение скопления пули, полученное космическим телескопом НАСА «Хаббл» и рентгеновской обсерваторией «Чандра».
• Скопление Пуля представляет собой комбинацию двух галактик, которые когда-то столкнулись. Синие области представляют собой большую часть массы галактик, которая состоит из темной материи, а розовые области представляют собой обычное вещество. Мы можем обнаружить темную материю с помощью гравитационного линзирования, которое обнаруживает сдвиги в свете, создаваемом удаленными небесными объектами [5]. Яркие пятна за пределами окрашенных областей — это звезды и галактики, не входящие в скопление Пуля (Источник: рентгеновский снимок: NASA/CXC/CfA/ М.Маркевич и др.; / Д. Клоу и др.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al.).

Чем может быть темная материя?

Ученые предложили множество различных теорий, чтобы попытаться решить загадку темной материи. Некоторые ученые считают, что темная материя — это просто обычная материя, сконцентрированная в труднообнаруживаемых объектах, таких как большие планеты или черные дыры. Однако научные наблюдения делают эту теорию маловероятной.

Так из чего же состоит темная материя? Ученые уже открыли один тип частиц, составляющих темную материю, под названием 9.0039 нейтрино . Нейтрино — это частицы, которые не излучают свет, как темная материя. Однако нейтрино могут составлять лишь небольшую часть от общего количества темной материи, потому что они слишком легкие и когда они были созданы в ранней Вселенной, они двигались слишком быстро. Значит, должны быть задействованы и другие, еще не открытые частицы. Двумя наиболее многообещающими кандидатами являются предлагаемые частицы, называемые вимпсами, и аксионы. Ни один из типов еще не наблюдался, и в настоящее время их ищут во многих экспериментах по всему миру.

Заключение

Темная материя составляет около 63% всей материи во Вселенной (рис. 3). Действительно, наша способность понимать темную материю поможет нам узнать больше о Вселенной, в том числе о деталях ее происхождения и формирования. По всему миру проводится множество экспериментов, в том числе эксперименты на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, ¹ , для определения природы крошечных частиц, которые могут рассказать нам об условиях, в которых формируется темная материя. Предстоит проделать гораздо больше работы, но одно можно сказать наверняка — в области астрофизики и физики элементарных частиц нас ждет много интересного!

• Рисунок 3. Весь круг представляет всю материю, которая существовала 380 000 лет после рождения Вселенной.
• Вы можете видеть, что количество темной материи намного больше, чем всех других видов материи. Количество темной материи сегодня остается таким же [2], а масса Вселенной не сильно изменилась с эпохи, показанной на рисунке. Диаграмма, созданная научной группой NASA/WMAP, является общественным достоянием.

Глоссарий

Электромагнитный спектр : ↑ Полный спектр световых частот, от радиоволн до гамма-лучей и рентгеновских лучей.

Длина волны : ↑ Измерение света, в частности, расстояние между пиками световых волн. Длина волны света измеряется в нанометрах (нм) и находится в диапазоне от 400 нм (ультрафиолетовый) до 700 нм (инфракрасный), причем видимый свет находится между ними.

Материя : ↑ Все, что имеет массу.

Темная материя : ↑ Вещество, не излучающее свет и поэтому недоступное для наблюдения в телескопы.

Астрофизик : ↑ Ученый, изучающий астрономические объекты размером со всю вселенную.

Скорость : ↑ Расстояние между двумя точками за единицу времени. Например, автомобиль, движущийся со скоростью 60 км/ч, проезжает 60 км из пункта А в пункт В за 1 час.

Гравитационное линзирование : ↑ Свет, излучаемый далекими галактиками, изгибается и искажается при взаимодействии с гравитационным полем огромных масс, таких как скопления галактик.

Нейтрино : ↑ Крошечные частицы размером меньше атома, не имеющие электрического заряда. Нейтрино являются одним из компонентов темной материи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Сноска

1.