Черная материя что это такое простыми словами
Новая физика темной материи: зачем ее искать и как она будет работать?
Темная материя не излучает и не поглощает свет, практически не взаимодействует с «обычной» материей, ученым пока не удалось поймать ни одной «темной» частицы. Но без нее не могла бы существовать знакомая нам Вселенная, да и мы сами. Чем поможет и что объяснит изучение темной материи?
Читайте «Хайтек» в
Что такое темная материя?
Это такая гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступна прямому наблюдению. Она составляет четверть массы энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.
Звезды производят 100% света, который мы видим во Вселенной, но всего 2% ее массы. Когда мы смотрим на движения галактик, скоплений и прочего, то находим, что количество гравитационной массы перевешивает звездную массу в 50 раз. Можно было бы подумать, что другие типы обычной материи могли бы объяснить эту разницу.
Но даже если суммировать все эти компоненты вместе, мы получим всего 15–17% общего количества вещества, которое необходимо для объяснения гравитации. Для остального движения, что мы видим, нам нужна форма материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной известной частице Стандартной модели. Нам нужна в некотором роде темная материя.
Состав и природа темной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной темной материи. Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц темной материи — вимпы. Несмотря на активные поиски, экспериментально они пока не обнаружены.
Зачем нам нужна темная материя?
Темная материя нам нужна не только для объяснения астрофизических явлений вроде галактического вращения, движения скоплений и их столкновений, но и для объяснения самого происхождения жизни.
Чтобы объяснить почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась с горячего и плотного состояния — Большого взрыва, когда все было в виде практически однородного моря отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц. По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легчайшие ядра (водород, гелий, дейтерий и немного лития), но ничего больше. Только спустя десятки или сотни миллионов лет назад эта материя коллапсировала в достаточно плотные регионы, чтобы образовать звезды и галактики.
Насколько сегодня ученые уверены, что темная материя действительно существует?
Главное свидетельство — это наблюдения флуктуаций реликтового излучения, то есть результаты, которые за последние 15 лет получили космические аппараты WMAP и «Планк».
Они с высокой точностью измеряли возмущение температуры космического микроволнового фона, то есть реликтового излучения. Эти возмущения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизованный водород превратился в нейтральные атомы.
Эти измерения показали присутствие флуктуаций, очень небольших, примерно в одну десятитысячную Кельвина. Но когда они стали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили важные отличия, которые нельзя объяснить никак иначе, кроме как присутствием темной материи. Благодаря этому они с точностью до процентов смогли посчитать доли темной и обычной материи во Вселенной.
Состав темной материи
По какой причине это происходит и каков состав темной материи, нам до сих пор точно не известно, однако существует три версии того, что это такое.
Что дальше?
Исследования и работы на тему изучения темной материи продолжаются, так как до сих пор у нас нет однозначного ответа на вопрос, существует ли эта субстанция.
Накануне стало известно о новой работе астрофизиков: они обнаружили в реликтовом излучении Вселенной намеки на нарушение пространственной четности. Иными словами, они стали на шаг ближе к открытию «новой физики».
Свет – это распространяющаяся электромагнитная волна. Когда он состоит из волн, колеблющихся в определенном направлении, физики называют его «поляризованным». Свет космического микроволнового фона рассеялся через 400 тыс. лет после Большого взрыва, поскольку путешествовал по Вселенной в течение 13,8 млрд лет.
Если темная материя или темная энергия взаимодействуют со светом космического микроволнового фона таким образом, что нарушает симметрию четности, мы можем найти его след в данных поляризации.
Юто Минами, один из авторов исследования
По его словам, благодаря новой методике ученые смогут максимально точно оценить, насколько сильно пыль Млечного Пути влияет на измерение поляризации реликтового излучения.
Расстояние, которое проходит свет от пыли в пределах Млечного Пути, намного короче, чем расстояние космического микроволнового фона. Это означает, что на излучение пыли не влияют ни темная материя, ни темная энергия. Исследователи выяснили, что с вероятностью 99,2% темная материя и темная энергия действительно нарушают принцип четности.
Сверхъестественное Вселенского масштаба: что такое тёмная материя, куда ведут черные дыры, и зачем нужна квантовая механика
Физика, как ни парадоксально звучит, — наука наиболее разношёрстная, неизученная и неполноценная. И это мнение не только научных журналистов, но и самих учёных, понимающих как много ещё им предстоит открыть. Взять ту же Теорию относительности Эйнштейна: она идеально работает для планет и галактик, но для микромира субатомных частиц она совершенно непригодна. В микроскопических масштабах правит квантовая физика.
Если даже теоретические модели физики не могут объединиться, то что уж говорить об экспериментальных наблюдениях. Здесь как в притче об истине и слоне: один слепой мудрец сказал, что истина — это огромное и необъятное, потрогав слона за брюхо, другой — что она длинная и гибкая, коснувшись хобота животного, а третий — что у истины кисточка на тонком стебельке — как у хвоста.
И всё же, существуют в мире науки неоспоримые результаты наблюдений и идеальные с математической точки зрения гипотезы, в которых действительно интересно разобраться. Ведь они могут открыть такие просторы для размышлений, что попытка осмыслить бесконечность Вселенной покажется детской загадкой о качелях.
Тёмная материя
Выяснилось: на долю обычной материи, из которой состоим мы с вами, звёзды, планеты и все остальное, приходится всего 4,9% от общего состава. 26,8% приходится на долю тёмной материи; больше всего во Вселенной тёмной энергии — 68,3%. Осознав ничтожность наших галактик, кластеров и туманностей, учёные заволновались: что это такое, и почему мы до сих пор ничего об этом не знаем?
Тёмную материю можно охарактеризовать всего двумя словами: «вездесущая» и «неуловимая». Если вспоминать школьный курс физики, то можно припомнить, что видов взаимодействия (по крайней мере, нам известных) существует всего четыре — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Всё, что мы можем увидеть или засечь каким-либо прибором, обязательно будет участвовать в электромагнитном взаимодействии, однако тёмная материя, как назло, этим не занимается.
Теоретики решили, что если есть материя, значит, она из чего-то состоит. В смысле, из каких-то частиц, похожих на наши атомы, или по крайней мере, протоны и электроны. Как только ни пытались назвать эти частицы физики — тёмными атомами, аксионами, космионами, тяжёлыми нейтрино. Наконец, сравнительно недавно с названием для частиц тёмной материи определились. Их назвали вимпами.
Астрономический спутник «Планк».
Вимп — грубая калька с английской аббревиатуры WIMP, которая расшифровывается как Weakly Interacting Massive Particles, то есть, «слабо взаимодействующие массивные частицы». Из четырёх видов взаимодействий вимпы участвуют только в двух — слабом, как видно из названия, и гравитационном, как видно из наблюдений. Астрономы постоянно сталкиваются с гравитационной тягой, которую оказывают скопления тёмной материи на наши родные звёзды и галактики.
На этом познания физиков о тёмной материи заканчиваются, если, конечно, не учитывать массу громоздких расчётов. Совершенно неясно, какой массой обладают эти частицы: одни расчёты указывают на 6-8 гигаэлектронвольт, другие — на 33 гигаэлектронвольта, а третьи дают вообще несопоставимые с реальностью данные.
Также непонятно, как поймать злосчастные вимпы. Пока что физики-экспериментаторы пытаются зафиксировать случаи взаимодействия тёмной материи с обычной и используют для этого сверхчувствительные детекторы. Участники эксперимента LUX («Большой подземный ксеноновый детектор»), к примеру, недавно заявили об отрицательных результатах своих трёхмесячных поисков, и о том что искомых вимпов малой массы найдено не было.
Пока весь мир ждет, когда будут выделены средства на постройку более чувствительных и крупных детекторов, остается только фантазировать, что же такое тёмная материя и тёмная энергия, и что они скрывают под своей темнотой.
Чёрные дыры
Чёрные дыры — фактически мёртвые звёзды. Они не имеют ничего общего с тёмной материей и являются вполне обычными с определённой точки зрения объектами. После того, как массивное светило напрочь исчерпает свой запас топлива и взорвётся сверхновой, образуется собственно чёрная дыра.
Это тело представляет собой сверхплотную точку — так называемую сингулярность — аналогичную тому, что представляла собой Вселенная в момент Большого взрыва. Сингулярность окружена горизонтом событий — гипотетической границей, за которую не может выйти ни материя, ни свет, ни даже информация. К слову, знаменитый Стивен Хокинг немного несогласен с последним утверждением: его именем названо так называемое излучение Хокинга, представляющее собой частицы, которым всё же удалось выпрыгнуть за пределы горизонта событий.
После осознания того факта, что чёрные дыры удерживают своей гравитацией целые галактики и обладают массами, равными миллионам солнечных, но крайне малыми размерами, начинается самое интересное.
Он предположил, что в параллельном измерении существует другая Вселенная, но не трёхмерная, как наша, а четырёхмерная. Поэтому наша трёхмерность — всего лишь горизонт событий четырёхмерной чёрной дыры, и образовалась наша Вселенная в момент взрыва сверхновой, выброса вещества и рождения чёрной дыры в четырёх измерениях. Эта версия идеально подходит для объяснения странной равномерности температурного фона, которого вряд ли могла достичь Вселенная за 13,8 миллиардов лет своего существования.
Квантовая механика
Квантовая механика скрывает за собой самые интересные тайны Вселенной. Выше уже было сказано: законы квантовой механики идеально функционируют для описания взаимодействий субатомных частиц, однако для описания природы массивных тел, будь то стул и стол или звезда и галактика, квантмех непригоден.
Но что будет, если включить фантазию? В этом разделе физики есть, как минимум, два явления, достойных внимания и ближайшего рассмотрения. Первое из них называется суперпозиция. Некая частица обладает сразу несколькими состояниями до тех пор, пока её не измерят — всё зависит от нас, наблюдателей. Здесь же уместно вспомнить замученного интернет-пользователями кота Шрёдингера : теоретик придумал этот мысленный эксперимент именно для иллюстрации понятия суперпозиции — кот жив и мёртв одновременно, пока коробку не откроют и наблюдатель не сыграет свою роль.
По принципу суперпозиции строятся квантовые компьютеры. В них вместо привычных битов функционируют кубиты (qubit, quantum bit — квантовый бит), которые принимают значения «0» и «1» одновременно. За счёт этого увеличивается скорость вычислений и, соответственно, производительность компьютера.
Другое квантовомеханическое явление называется квантовой запутанностью. Представьте себе две частицы, разведённые по разным концам Вселенной. Если они «запутаны» друг с другом, то как только одна из них примет определённое состояние, другая мгновенно пример противоположное. Если бы они сообщались посредством какого-либо электрического сигнала, то он шёл бы миллиарды лет, а тут смена происходит одновременно.
Фантазии на тему квантовой запутанности приводят учёных к разным выводам. Например, крупная команда исследователей из Принстона, Стэнфорда и Вашингтонского университета рассмотрела это явление с точки зрения макромира, то есть Общей теории относительности. Как показали расчёты, с математической точки зрения связь запутанности между двумя частицами полностью идентична червоточине — гипотетическому туннелю между двумя чёрными дырами, сквозь который можно путешествовать по пространству и времени.
И если представить, что наша Вселенная — всего лишь голограмма, проекция от другой или других миров, это математически означает, что то, что мы видим как квантовую запутанность, есть червоточина, только в четырёхмерном мире.
Исследованием голографического принципа занимается и всю жизнь занимался аргентинец Хуан Малдасена (Juan Maldacena). Изучая квантовую механику, учёный пришёл к выводу, что с ОТО её может примирить лишь теория струн, пока что полностью математическая. В рамках этой теории действует принцип, согласно которому наша Вселенная — результат проекций нескольких других измерений, от каждой из последних взявший по одному измерению.
На одной идее о квантовой запутанности можно зайти очень далеко. В конце концов, мгновенная передача какой-либо информации есть прямо нарушение принципа непреодолимости скорости света. Если когда-нибудь кто-нибудь придумает, как заставить запутанные частицы передавать нужную нам информацию — а пока что к этому не подобрались даже теоретики — то у нас появится шанс, к примеру, связаться с обитателями далёких планет. Если на них, конечно, вообще кто-то живет.
А если придумают как по запутанности передавать материю, то мечты фантастов о телепортации станут реальностью.
Кстати, за чудесами физики не надо лезть ни в чёрную дыру, ни нырять внутрь атома, достаточно выйти завтра утром на пробежку. Знайте, чем быстрее вы бежите сквозь пространство, тем медленнее движетесь сквозь время. Так что душ будете принимать не только постройневшим, но и помолодевшим.
Текст: Ася Горина, редактор «Вести Наука».
Существует ли темная материя и зачем она нам нужна
Темная материя — самая загадочная тема современной астрофизики. Астрофизик, журналист и автор блога «Популярная наука» в «Яндекс. Дзен» Александр Дементьев объясняет, что это такое и зачем ее изучать.
По оценкам международной группы ученых, 80% вещества Вселенной приходится на темную материю. То есть Вселенная состоит неизвестно из чего. И открытие этого феномена сулит человечеству гигантские перспективы. Возможно, даже большие, чем изобретение электричества.
Впервые термин «темная материя» использовал голландский астроном Якобус Каптейн 99 лет назад. С тех пор вопрос о том, что представляет собой это загадочное вещество, остается открытым.
Что такое темная материя
Темная материя — вид скрытого вещества. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии, как «обычная» известная нам материя. Поэтому мы не можем ее обнаружить.
Как же мы тогда узнали, что темная материя существует?
Темная материя проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу ее звезд.
Если говорить максимально просто: мы видим, что масса во Вселенной, в частности у галактик, в разы больше, чем должна быть. Если сложить массу всего вещества, которое мы можем обнаружить (звезды, скопления, туманности, черные дыры и т.п.), этого не хватает, чтобы объяснить, откуда такая гравитация. Для этого масса должна быть выше. Эту «лишнюю» массу и записали на счет темной материи.
Без темной материи в космосе недостаточно массы для образования звезды. Без нее вещество «разбредалось» бы по космосу. Темная материя обеспечивает необходимую массу, которая запускает процесс образования звезд.
Примерное распределение вещества для среднестатистической эллиптической галактики выглядит так:
Каковы доказательства, что темная материя существует
Гипотеза о существовании темной материи родилась в теоретической физике. В экспериментальной физике обнаружить ее в каком-либо виде пока не удалось. Но есть убедительные экспериментальные доказательства того, что «лишняя» масса существует.
Звезды и галактики движутся с совсем другими скоростями, чем должны при условии, что темной материи не существует.
Горячего газа в галактиках слишком много. Если бы лишней массы не было, галактика не смогла бы его удержать.
Гравитационные линзы. Свет, идущий от удаленных объектов, искажен гораздо больше, чем должен.
Почему открытие темной материи важно для человечества
Темная материя давно перестала быть локальной проблемой отдельной науки. Узнав ее природу, мы гораздо лучше поймем, как устроен наш мир и, возможно, получим доступ к новым видам дешевой энергии и инновационным материалам.
В 1888 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн (обратите внимание, какая красивая цифра — 1888!). За этим последовал шквал открытий. Ученые узнали, как устроен атом, открыли, что существуют галактики, начали использовать новые виды энергии, ранее недоступные человечеству. И наша жизнь кардинально изменилась!
Сейчас 21-й год XXI века (не менее красивая цифра). И новым сравнимым по масштабу открытием может быть природа темной материи.
Даже если выяснится, что ее нет и это нелепая гипотеза, это приведет к перевороту в современной физике. Такое уже было в нашей истории. Ведь открытие электромагнитных волн отправило в небытие понятие «эфира», в котором якобы движутся все космические объекты. Никакого эфира нет, но это было важно доказать для дальнейшего прогресса в физике.
Что же представляет собой темная материя. 4 гипотезы
Предположений о том, что же такое темная материя, в современной физике огромное количество. Но глобально их все можно свести к четырем типам:
1. «Обычное» вещество. Темная материя может представлять собой совокупность черных дыр, нейтронных звезд, планет-изгоев и т.п. То есть различные объекты, которые трудно обнаружить.
Эта гипотеза считалась весьма вероятной на заре исследования темной материи. Сейчас же к ней относятся скептически, ведь черные дыры можно отлавливать по их взаимодействию с окружающей материей.
По оценкам астрофизиков, на все эти объекты может приходиться максимум 10% вещества галактик. Но никак не 80%.
2. Темная материя состоит из частиц, которые мы еще не открыли. Вероятнее всего, эти частицы должны быть довольно крупными, так как проявляют себя в гравитационном взаимодействии. И эти частицы не заряжены, иначе они проявляли бы себя в электромагнитном взаимодействии.
Частицы темной материи, скорее всего, и сейчас прошивают Землю, пролетая сквозь нее с огромными скоростями. Но никак не взаимодействуют с ней. С одной стороны, их трудно поймать, с другой — от них трудно экранироваться. И это плюс — значит, частицы темной материи есть везде. Осталось только обнаружить их.
Сейчас по всему миру пытаются эти частицы отловить. Напрямую это сделать очень сложно (они же, как мы помним, «не любят» взаимодействовать с приборами).
Возможно, поможет косвенный метод — когда мы зафиксируем взаимодействие этих неведомых частиц с другими и увидим их косвенные проявления, например в виде фотонов.
3. Что-то не так с гравитацией. Точнее, с гравитацией как силой природы всё прекрасно. Что-то не так с нашей теорией гравитации.
«Зачем плодить новые странные сущности и частицы? Давайте пересмотрим теорию гравитации», — говорят адепты этой гипотезы.
Альтернативные теории гравитации (например, модифицированная ньютоновская динамика (MOND) способны объяснить отдельные явления. Но пока не удалось создать теорию гравитации, которая объяснит все явления в совокупности и непротиворечиво.
4. Темной материи не существует. Это как раньше с эфиром. Все думали, что он есть (иначе как световые волны могут путешествовать по пустому пространству?). Но оказалось, что свет — не только частицы, но и волна, и эфир для перемещения ему не нужен. Так и тут. Возможно, у уже известных законов физики есть обратная сторона, которую мы не знаем. Но, скорее всего, он завязан на предыдущих сценариях.
Что даст человечеству открытие темной материи
Мы знаем 118 природных элементов таблицы Менделеева. И это лишь 20% вещества. Представляете, какие тайны могут быть сокрыты в остальных 80%?
Новые материалы и технологии. Древние греки знали об электричестве, но оно было для них чем-то вроде фокуса. Ведь забавно, как к расческе после причесывания притягиваются кусочки бумаги!
Когда журналист спросил Максвелла, зачем нужны его уравнения поля, ученый развел руками: он просто описал взаимодействие, существующее в природе. А теперь жизнь невозможно представить без электричества.
Но только когда мы постигли природу электричества, человечество пошло вперед семимильными шагами. Греки и понятия не имели, что подобные технологии возможны!
Когда в 1960 году Теодор Мейман представил свой первый лазер, он даже близко не представлял, как и зачем его можно использовать. А теперь он активно применяется в медицине, химии и навигации.
Понимание темной материи может теоретически дать нам доступ к энергии, которая будет намного эффективнее электричества.
Освоение космоса. Будущее человечества неизбежно связано с космической экспансией.
На Земле не так безопасно, как кажется. Человечество развилось в период относительного спокойствия. Однако за всю биологическую историю планеты было пять случаев крупного массового вымирания видов и еще 20 — менее масштабных. И только освоение других планет (говоря экономическим термином, диверсификация жизни) позволит увеличить шансы на выживание.
А как осваивать космос, путешествовать в межзвездном пространстве, если мы не знаем, из чего состоит 80% его вещества?
Мировоззрение. Кроме практической пользы будет польза философская. Мы серьезно уточним ответ на вопрос, как устроена наша Вселенная. И почему она расширяется с ускорением.
В XIX–XX веках был расцвет философии. Создавались мировоззренческие концепции, которые помогали человечеству определиться с целями и установить моральные границы. Сейчас же философия пребывает в стагнации. Искать смысл жизни в накоплении и потреблении — слишком примитивная задача. Религиозные и идеалистические мировоззрения — в очевидном кризисе.
Человечество не может развиваться без смысла. Это наша важная особенность как вида. По мнению Юваля Ноя Харари, автора книги «Sapiens. Краткая история человечества», единственное отличие человека от других животных в том, что мы можем объединиться одной идеей и вместе работать над ее воплощением.
Нужны новые крупные научные открытия, чтобы человечество смогло найти новые мировоззренческие смыслы. Иначе как нам двигаться дальше?
Просто о сложном: что такое темная материя и где ее искать
Теории и практики
Теоретическая конструкция в физике, называемая Стандартной моделью, описывает взаимодействия всех известных науке элементарных частиц. Но это всего 5% существующего во Вселенной вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Что представляет из себя эта гипотетическая темная материя и как ученые пытаются ее обнаружить? Об этом в рамках спецпроекта «Физтех. Читалка» рассказывает Айк Акопян, студент МФТИ и сотрудник кафедры физики и астрофизики.
Стандартная модель элементарных частиц, окончательно подтвержденная после обнаружения бозона Хиггса, описывает фундаментальные взаимодействия (электрослабое и сильное) известных нам обычных частиц: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействия (бозонов и глюонов). Однако оказывается, что вся эта огромная сложная теория описывает лишь около 5–6% всей материи, тогда как остальная часть в эту модель никак не вписывается. Наблюдения самых ранних моментов жизни нашей Вселенной показывают нам, что примерно 95% материи, которая окружает нас, имеет совершенно неизвестную природу. Иными словами, мы косвенно видим присутствие этой скрытой материи из-за ее гравитационного влияния, однако напрямую поймать ее пока не удавалось. Это явление скрытой массы получило кодовое название «темная материя».
Современная наука, особенно космология, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса
Эксперимент LUX, в ходе которого ученые пытались с помощью бассейна, заполненного 400 кг жидкого ксенона, поймать частички темной материи — WIMPs, слабо взаимодействующие массивные частицы, — ни к чему не привел. Сейчас к запуску готовится новый эксперимент — DARWIN, в котором планируется использовать 25-тонную массу ксенона для детектирования WIMP (см. рис. 1). С другой стороны, эксперимент ADMX, направленный на обнаружение других (во много раз более легких по массе) кандидатов на роль темной материи, гипотетических аксионов, тоже пока не дал никаких результатов.
Установки экспериментов LUX (слева) и ADMX (справа)
В результате такого молчания детекторов возникает совершенно естественный вопрос: почему мы ищем именно эти частицы, почему не другое? Почему эта масса не может скрываться в других известных нам частицах или объектах? Не может ли быть так, что мы вообще идем на поводу у кодового названия, то есть не может ли быть так, что никакой темной материи и вовсе нет, просто теория гравитации дает сбой и не работает на таких масштабах? Как ученые могут быть так уверены в себе?
Дело в том, что современная наука, особенно в области космологии, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса. Изначально может быть огромное количество вероятных и невероятных, обычных и экзотических, вписывающихся в современную теорию и противоречащих ей гипотез, объясняющих какое-либо явление. Однако объективным судьей, отсеивающим все невозможные варианты гипотез, является самое простое наблюдение и эксперимент. Соответствие наблюдениям — самый базовый критерий, которому должна удовлетворять любая научная теория. Иными словами, если отбросить все невозможные гипотезы, то оставшаяся, сколь бы парадоксальной и невероятной она ни была, и является истиной. Наука работает так, как происходит расследование преступления, где каждая улика и алиби подозреваемых имеют решающий вес. Здесь я хочу как раз рассказать об этих отсеянных гипотезах и объяснить, почему такие длительные и дорогостоящие поиски WIMP и аксионов имеют под собой очень твердые основания.
Первые наблюдения, Или место преступления
Впервые странное явление обнаружил американский астроном Цвикки в 1933 году. Он исследовал скопление галактик Волос Вероники (Coma Cluster) и обнаружил странное расхождение. Дело в том, что измерить массу галактики можно двумя способами. В первом случае можно просто посчитать количество галактик в скоплении, прикинуть их примерную массу по количеству звезд (зная примерно массу каждой) и просто сложить массы всех галактик. У него получилось примерно 1013 (в массах Солнца). Во втором случае можно измерить скорости галактик: чем больше скорость, тем больше гравитационная сила, действующая на эту галактику, и тем больше общая масса скопления. Таким образом можно снова с некоторой точностью оценить массу скопления, и в этот раз у Цвикки получилось 5×1014, то есть в 50 раз больше.
Подозреваемый №1: межзвездная пыль/газ
Подобное расхождение на тот момент не вызвало большого резонанса в научном мире, так как наблюдений было в принципе очень мало и, соответственно, не хватало информации о межзвездной пыли, газе, карликовых звездах. Тогда считалось, что эта дополнительная масса может скрываться именно в них.
В своей работе 1970 года Вера Рубин и Кент Форд изучали для галактики Андромеды зависимость скорости звезд от их отдаленности от центра галактики (так называемую кривую вращения). Так как основная часть звезд сконцентрирована вблизи центра галактики, логично предположить, что чем дальше звезда от центра, тем меньше должна быть гравитационная сила, действующая на нее, и тем меньше должна быть ее скорость. Однако оказалось, что для звезд на периферии такой закон не выполняется и кривая выходит на константу (см. рис. 2).
Кривая вращения для галактики Андромеды (из статьи V. Rubin, Kent Ford Jr., 1970)
Это означало, что основная масса, которая влияет на вращение звезд, не просто скрыта от нас. Она распределена вплоть до периферии и, возможно, еще дальше. Позже подобные кривые были прорисованы для различных галактик с абсолютно тем же результатом. Для многих эллиптических галактик эти кривые не просто не спадали, но и возрастали, то есть чем дальше звезда находилась от центра, тем больше была ее скорость. Получается, что большая часть массы (в среднем более 90%) заключена не в звездах и эта скрытая масса распределена далеко за областью галактического диска в виде сферического гало (см. рис. 3). (Гало — оптический феномен, светящееся кольцо вокруг объекта — источника света. — Прим. ред.)
Сравнение области скрытой массы и размера галактики
Межзвездная пыль и газовые облака теперь уже никак не могли объяснить наличие скрытой массы. Дело в том, что так или иначе и пыль, и газ имеют внутреннее взаимодействие: из-за трения излучения частички пыли или молекулы газа теряли бы энергию, постепенно скапливаясь с периферии в центр. И в результате мы бы имели не огромное гало, простирающееся далеко за пределы самой галактики, а скопление вещества в центре. Поэтому гипотеза газопылевой природы опровергается.
Подозреваемый №2: слабо излучающие астрофизические объекты
Следующей по простоте очевидной гипотезой было то, что скрытая часть массы может быть заключена в известных астрофизических объектах (англ. MACHO — Massive astrophysical compact halo object), таких как слабые или потухшие звезды, белые, коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или даже массивные планеты типа Юпитера. Ввиду своей малости и слабой светимости эти объекты не видны в телескоп, и, вполне возможно, их так много, что они и обеспечивают наличие этой скрытой массы.
Когда слабосветящийся массивный объект пересекает наш луч зрения, то видимый объект, находящийся позади, например звезда, становится ярче из-за гравитационного линзирования света (см. рис. 4). Такое явление называется гравитационным микролинзированием. Наличие таких MACHO должно было бы привести к огромному количеству событий микролинзирования. Однако наблюдения орбитального телескопа Hubble показали, что таких событий необычайно мало и если такие объекты MACHO и есть, то их масса составляет меньше 20% от массы галактик, но никак не 95%.
Микролинзирование звезды объектом MACHO
Более того, все эти опровержения позже были подкреплены наблюдениями космического реликтового фона. Дело в том, что эти наблюдения вводят четкое ограничение на число барионов (протоны, нейтроны и все, что состоит из кварков), которые могли родиться в ранней Вселенной в период нуклеосинтеза (образования атомных ядер. — Прим. ред.). В частности, это говорит нам о том, что та барионная материя (все светящиеся звезды, газ, пылевые облака) — это уж, по крайней мере, большая часть всей барионной материи в нашей Вселенной и, соответственно, скрытая масса не может состоять из барионов.
Подозреваемый №3: модифицированные теории
Вернемся к началу рассказа: а что, если никакой дополнительной массы нет? Что, если у нас просто немножко по-другому работает теория гравитации или законы Ньютона?
В самом начале мы говорили, что чем больше гравитационная сила, действующая на объект (в данном случае — на галактику или отдельную звезду), тем больше ее ускорение (закон Ньютона) и, соответственно, скорость, так как центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости. Но что, если подкорректировать закон Ньютона? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром предложил гипотезу MOND (Modified Newtonian dynamics), в которой закон Ньютона был несколько cкорректирован для случая, когда ускорения достаточно малы (10–8 см/с2).
Такой подход хорошо объяснял кривые вращения, полученные Рубин и Фордом, и возрастающие кривые вращения для эллиптических галактик. Однако для скоплений темной материи, где ускорения галактик куда больше ускорения единичных звезд, MOND не вносил никаких поправок, и вопрос оставался открытым. Другой подход был предложен в многочисленных попытках модифицировать теорию гравитации. Сейчас существует широкий класс таких теорий, называемый параметризованным постньютоновским формализмом, где каждая отдельная теория описывается своим набором 10 стандартных параметров, объясняющих отклонение от обычной гравитации.
Какие-то из этих теорий действительно снимают проблему скрытой массы, однако ведут к другим проблемам. Например, к массивным фотонам или хроматичности гравитационной линзы (зависимости отклонения света от частоты), что, конечно же, не подтверждается наблюдениями. В любом случае, ни одна из этих теорий до сих пор не подтверждена наблюдениями. Таким образом, из всевозможных гипотез осталась только одна возможная (хотя изначально экзотическая), не противоречащая эксперименту: темная материя — это какие-то частицы небарионной природы (то есть не состоящие из кварков). Таких кандидатов в теории существует очень много (см. рис. 5), однако их подразделяют на две основные группы — холодную и горячую темные материи.
Кандидаты на роль темной материи, отсортированные по массам (из статьи V. Trimble, 1987)
Подозреваемый №4: горячая темная материя
Горячая темная материя — это легкие частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Самым очевидным кандидатом на эту роль является самое обычное нейтрино. Эти частицы имеют очень малые массы (раньше считалось, что их масса равна нулю), рождаются в недрах звезд при различных термоядерных процессах и летят, почти ни с чем не взаимодействуя. Однако оказалось, что при том количестве нейтрино, которое есть у нас во Вселенной, для объяснения темной материи необходимо, чтобы их масса была около 10 электронвольт. Но эксперименты ограничивают массу нейтрино сверху до долей одного эВ, что в сотни раз меньше.
После отказа от обычных нейтрино появилась теория о наличии так называемых стерильных нейтрино — гипотетических частиц, возникающих в теории суперслабых взаимодействий. Однако такие частицы в экспериментах пока не обнаружены, и факт их существования сейчас под вопросом. Космологические наблюдения последних лет показали, что если горячая темная материя и есть, то она составляет не больше 10% от всей темной материи. Дело в том, что различные типы темной материи предлагают различные сценарии формирования галактик (см. рис. 6).
В сценарии горячей темной материи (top-down) в результате эволюции сперва формируются большие куски материи, которые затем схлопываются в отдельные мелкие скопления и в итоге превращаются в галактики. В сценарии холодной темной материи (bottom-up) сперва формируются мелкие карликовые галактики и скопления, которые затем сцепляются и образуют более крупные. Наблюдения и компьютерное моделирование показывают, что в нашей Вселенной реализуется именно этот сценарий, что указывает на явное доминирование холодной темной материи.
Сверху — сценарий top-down (горячая темная материя), снизу — сценарий bottom-up (холодная темная материя)
Подозреваемый №5: холодная темная материя
Гипотеза с холодной темной материей на сегодняшний день является самой распространенной в ученом сообществе. Гипотетические частицы холодной темной материи подразделяются на две категории — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISPs — weakly interacting slim particles). WIMPs — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона) и так далее. Существование одного из главных претендентов на роль WISP — аксионоподобной частицы (ALP) — опровергли недавние наблюдения орбитального гамма-телескопа FERMI/LAT.
Сейчас основным кандидатом из группы WISP является аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Такая частица способна в больших магнитных полях превращаться в пару, что дает намеки на то, как можно попробовать ее обнаружить. В эксперименте ADMX используют большие камеры, где создается магнитное поле в 80000 гаусс (это в 100000 раз больше магнитного поля Земли). Такое поле в теории должно стимулировать распад аксиона на пару, которую и должны поймать детекторы. Несмотря на многочисленные попытки, пока обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось.
Таким образом, мы пропутешествовали через огромное количество различных гипотез, стремящихся объяснить странное наличие скрытой массы, и, откинув с помощью наблюдений все невозможное, пришли к нескольким возможным гипотезам, с которыми уже можно работать.
Отрицательный результат в науке — это тоже результат, так как он дает ограничение на различные параметры частиц, например отсеивает диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, выкидывая все невозможные варианты и сужая круг поисков, мы день ото дня становимся все ближе к понимаю, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.