Темная материя это: Темная материя |

Содержание

Темная материя

Игорь Сокальский,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №11, 2006

Невидимые действующие лица и их предполагаемые исполнители

В предыдущих статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.

Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.

Козьма Прутков

Что будет с нашим миром?

После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.

Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10^–29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 10³⁰ на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.

Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества. В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.

Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.

Свидетельства существования темной материи

Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.

О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.

Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.

Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.

Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10^–29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.

Что это?

Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.

Барионная темная материя

Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.

Небарионная темная материя

В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.

Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.

Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.

Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс², энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.

Темная энергия

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».

О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.

Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.

Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.

Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.

Что такое темная материя и как ученые пытаются ее найти

Тренды

Телеканал

Pro

Инвестиции

Мероприятия

РБК+

Новая экономика

Тренды

Недвижимость

Спорт

Стиль

Национальные проекты

Город

Крипто

Дискуссионный клуб

Исследования

Кредитные рейтинги

Франшизы

Газета

Спецпроекты СПб

Конференции СПб

Спецпроекты

Проверка контрагентов

РБК Библиотека

Подкасты

ESG-индекс

Политика

Экономика

Бизнес

Технологии и медиа

Финансы

РБК КомпанииРБК Life

РБК
Тренды

Фото: Unsplash

Разбираемся, как американские ученые пытаются поймать невидимое вещество и зачем они забрались в бывшую золотую шахту

Что такое темная материя

Темная материя — это материя, которая не вступает в электромагнитные взаимодействия (не испускает свет). Она составляет часть Вселенной, оказывает гравитационное воздействие и влияет на движение звезд в нашей и других галактиках. Темной материи отводят около 22% всего вещества во Вселенной.

Тайная часть Вселенной

Темную материю ни разу в истории не удавалось обнаружить. Ее открыли теоретические физики в начале ХХ века, после чего несколько десятилетий шли исследования по уточнению ее характеристик. В 1980-х научное сообщество единогласно признала ее существование. Поиски привели команду из физиков и инженеров в бывшие золотые шахты под городом Лид в штате Южная Дакота.

Как будут ловить темную материю

Космические лучи и частицы постоянно попадают на Землю. Идея исследователей заключается в том, что их заблокирует прослойка из грязи и камня в шахте глубиной в 1,6 км, а затем два резервуара из титана. Частицы же темной материи смогут обойти эти препятствия. Ученые надеются, что одна из них влетит в бак с жидким ксеноном во втором резервуаре и врежется в ядро вещества. Если это произойдет, то образуется вспышка. Ее увидит устройство, которое называется «камерой проекции времени».

Сердце эксперимента — гигантский резервуар, который называется «криостат». Ведущий инженер проекта Джефф Червинка описывает его как «подобие термоса», сделанное из «самого чистого титана в мире». Он предназначен для сохранения жидкого ксенона холодным и поддержания минимального радиационного фона. Отсутствие примесей в сплаве улучшает функции металла.

Работа началась

В конце июля 2022 года ученые объявили, что после пятилетней постройки конструкции, которая обошлась в $60 млн, поиски темной материи наконец начались. Пока прибор ничего не обнаружил. По словам исследователей, это нормально: оборудование работает и отфильтровывает фоновое излучение. Физик Картер Холл из Университета Мэриленда подчеркивает: «Для поиска темной материи задача номер один — сначала избавиться от всех обычных источников излучения. Они могут мешать эксперименту, влияя на точность устройства».

Вероятность и надежда

Если все расчеты и теории верны, то в ближайший год ученые увидят лишь пару мимолетных признаков темной материи. По оценкам команды из 250 человек, в течение дальнейших нескольких лет они получат в 20 раз больше данных. К моменту завершения эксперимента вероятность обнаружения темной материи с помощью устройства будет в диапазоне 10–50%. По словам участника опыта Кевина Леско, «нужно немного энтузиазма — нельзя заниматься экспериментальной физикой без некоторой надежды что-то найти».

Обновлено 25.08.2022

Текст

Семен Башкиров

Наука
Космос

Главное в тренде

Материалы по теме

Темная материя | Определение, открытие, распространение и факты

гравитационная линза

Посмотреть все медиа

Ключевые люди:: Кен Фриман
Адам Рисс

Похожие темы:: вселенная

Просмотреть весь связанный контент →

Прочтите краткий обзор этой темы

темная материя , компонент Вселенной, присутствие которого определяется его гравитационным притяжением, а не светимостью. Темная материя составляет 30,1 процента материально-энергетического состава Вселенной; остальное — темная энергия (69,4%) и «обычная» видимая материя (0,5%).

Первоначально известная как «недостающая масса», существование темной материи было впервые предположено швейцарско-американским астрономом Фрицем Цвикки, который в 1933 году обнаружил, что масса всех звезд в скоплении галактик Кома обеспечивает лишь около 1 процента необходимой массы. чтобы галактики не вырвались из-под гравитационного притяжения скопления. Реальность этой недостающей массы оставалась под вопросом в течение десятилетий, до 19 века. 70-х годов, когда американские астрономы Вера Рубин и У. Кент Форд подтвердили его существование, наблюдая подобное явление: масса звезд, видимых в типичной галактике, составляет всего около 10 процентов от массы, необходимой для удержания этих звезд вокруг центра галактики. В общем, скорость, с которой звезды вращаются вокруг центра своей галактики, не зависит от их расстояния от центра; действительно, орбитальная скорость либо постоянна, либо немного увеличивается с расстоянием, а не падает, как ожидалось. Чтобы объяснить это, масса галактики внутри орбиты звезд должна линейно увеличиваться с расстоянием звезд от центра галактики. Однако из этой внутренней массы не видно света — отсюда и название «темная материя».

Подробнее по этой теме

астрономия: темная материя

В течение 20-го века стало ясно, что во Вселенной есть гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. По ранним оценкам…

Понимание гравитационных линз и важности отслеживания темной материи

Посмотреть все видео к этой статье

После подтверждения существования темной материи преобладание темной материи в галактиках и скоплениях галактик было обнаружено благодаря явлению гравитационного линзирования — материи действует как линза, искривляя пространство и искажая прохождение фонового света. Присутствие этой отсутствующей материи в центрах галактик и скоплениях галактик также было выведено из движения и тепла газа, которые вызывают наблюдаемое рентгеновское излучение. Например, рентгеновская обсерватория Чандра наблюдала в скоплении Пуля, состоящем из двух сливающихся галактических скоплений, что горячий газ (обычное видимое вещество) замедляется за счет эффекта сопротивления одного скопления, проходящего через другое. Однако масса скоплений не изменилась, что указывает на то, что большая часть массы состоит из темной материи.

Материя составляет 30,6% состава материи и энергии Вселенной. Только 0,5 процента приходится на массу звезд, а 0,03 процента этого вещества — в виде элементов тяжелее водорода. Остальное — темная материя. Было обнаружено, что существуют две разновидности темной материи. Первая разновидность составляет около 4,5% Вселенной и состоит из знакомых нам барионов (то есть протонов, нейтронов и атомных ядер), которые также составляют светящиеся звезды и галактики. Ожидается, что большая часть этой барионной темной материи будет существовать в виде газа внутри и между галактиками. Этот барионный, или обычный, компонент темной материи был определен путем измерения количества элементов тяжелее водорода, которые были созданы в первые несколько минут после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад.

Темная материя, составляющая остальные 26,1 процента материи Вселенной, находится в незнакомой, небарионной форме. Скорость, с которой галактики и большие структуры, состоящие из галактик, сливались из-за флуктуаций плотности в ранней Вселенной, указывает на то, что небарионная темная материя является относительно «холодной» или «нерелятивистской», а это означает, что скелеты галактик и скопления галактик состоят из тяжелых , медленно движущиеся частицы. Отсутствие света от этих частиц также указывает на то, что они электромагнитно нейтральны. Эти свойства привели к общему названию частиц — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). Точная природа этих частиц в настоящее время неизвестна, и они не предсказываются стандартной моделью физики элементарных частиц. Однако ряд возможных расширений стандартной модели, таких как суперсимметричные теории, предсказывают гипотетические элементарные частицы, такие как аксионы или нейтралино, которые могут быть необнаруженными вимпами.

Предпринимаются экстраординарные усилия по обнаружению и измерению свойств этих невидимых вимпов либо путем наблюдения за их столкновением с помощью лабораторного детектора, либо путем наблюдения за их аннигиляцией после их столкновения друг с другом. Также есть надежда, что об их присутствии и массе можно будет узнать из экспериментов на новых ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

В качестве альтернативы темной материи были предложены модификации гравитации для объяснения очевидного присутствия «недостающей материи». Эти модификации предполагают, что сила притяжения обычного вещества может быть усилена в условиях, существующих только в галактических масштабах. Однако большинство предложений неудовлетворительны с теоретической точки зрения, поскольку они мало или вообще не дают объяснения модификации гравитации. Эти теории также не могут объяснить наблюдения темной материи, физически отделенной от обычной материи в скоплении Пули. Это разделение демонстрирует, что темная материя является физической реальностью и отличается от обычной материи.

Адам Рисс

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. Главный 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 0089 IceCube нейтрино в Антарктиде, сообщил Space.com.

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

Существует также такое понятие, как антиматерия , что 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 0089 состоит из материи, очевидно, что антиматерии вокруг не так много, иначе не осталось бы ничего. В отличие от темной материи, физики могут производить антиматерию в своих лабораториях.

Связанные : Галерея изображений: Темная материя во Вселенной

Почему мы думаем, что темная материя существует?

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

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

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

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

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

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

Подавляющее большинство астрономического сообщества сегодня признает существование темной материи.

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

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

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

Откуда берется темная материя?

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

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

Звездные остатки, такие как белые карлики и нейтронные звезды , также считаются содержащими большое количество темной материи, как и так называемые b r собственные карлики , несостоявшиеся звезды, которые не 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 на золотом руднике в Южной Дакоте, также охотился на признаки взаимодействия вимпов и ксенона. Но до сих пор прибор не раскрыл загадочную материю.

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

Связанное содержание:

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

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

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

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

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

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

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

Дополнительные ресурсы

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

Библиография

НАСА, темная энергия, темная материя

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

Клегг, Б.