что понимают под темной материей
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.
Темная материя: что это такое, как мы узнаем, что она есть, и найдем ли мы ее?
Смоделированный вид распределения темной материи в нашей Вселенной
Это звучит как научная фантастика, чтобы сказать, что есть невидимые, необнаружимые вещи вокруг нас, и что у него есть жуткое название темной материи. Но есть много доказательств того, что этот материал очень реален. Так что же такое темная материя? Откуда мы знаем, что оно там? И как ученые его ищут?
Все, что мы видим вокруг – от растений до планет, от камней до звезд, от людей до скопления галактик Персея – состоит из материи. Но все это составляет лишь около 15 процентов от общего количества материи во Вселенной. Подавляющее большинство, то есть оставшиеся 85 процентов, не учитываются – и мы называем это темной материей.
Во всем мире предпринимаются огромные усилия, чтобы попытаться раскрыть, что же на самом деле представляет собой темная материя, но возникает естественный вопрос: если мы не можем ее увидеть, почувствовать, услышать, понюхать или попробовать на вкус, как мы узнаем, что она вообще существует?
Откуда мы знаем, что темная материя существует?
Все, что имеет массу, имеет гравитационное притяжение, и чем больше массы что-то имеет, тем сильнее становится эта сила. Но астрономы постоянно видят, что крупномасштабные объекты, такие как галактики и скопления, ведут себя так, как будто они имеют гораздо большую массу, чем то, что видно.
Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки был первым, кто предложил идею темной материи в 1933 году. Он изучал скопление галактик и обнаружил несоответствие: похоже, что их массы не хватает, чтобы объяснить, как быстро движутся эти галактики.
Открытие Цвики было только первым примером явно пропавшей массы. В конце 1970-х астрономы Вера Рубин и Кент Форд наблюдали за нашей соседней галактикой, Андромедой. Дуэт ожидал увидеть объекты на окраинах галактики, вращающиеся медленнее, чем те, что ближе к центру, но это было не так: вместо этого относительные скорости имели тенденцию выравниваться, а объекты на окраинах вращались гораздо быстрее, чем должна была позволить видимая масса.
Еще одним убедительным доказательством является гравитационное линзирование. Поскольку световые лучи искажаются гравитационными полями, огромные массы могут изгибать свет, проходящий мимо более удаленных объектов, и делать эти объекты более крупными или яркими, как космическое увеличительное стекло. В других случаях он может дублировать изображение объекта или даже «воспроизводить» такие события, как сверхновые. Опять же, это линзирование часто происходит сильнее, чем это должно быть возможно из видимой массы объекта в середине.
Темная история вселенной
Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру вселенной, которую мы видим сегодня.
В первые дни существования Вселенной все было относительно гладко. Мы можем видеть это сегодня на фоне космического микроволнового излучения, которое является излучением, которое было создано приблизительно через 400 000 лет после Большого взрыва. Независимо от того, в каком направлении мы смотрим, это излучение выглядит одинаково.
Так как же эволюционировала Вселенная от супергладких до комковатых скоплений? Это влияние темной материи.
Даже в спокойные ранние дни существования Вселенной в некоторых областях было чуть больше темной материи, чем в других. Эта дополнительная масса означала большую гравитацию, поэтому эти более плотные области притягивали регулярную материю, которая, в свою очередь, притягивала все больше и больше. В конечном счете жара и давление заставили эти очаги материи воспламениться как звезды, что дало толчок образованию планетных систем, галактик и кластеров, которые мы видим сегодня.
Тот факт, что вселенная структурирована так, как она есть, является еще одним свидетельством темной материи. Так что мы знаем, что она там. Но что именно это такое? И как ученые ее ищут?
Охота за темной материей
Эксперимент ABRACADABRA не обнаружил сигналов аксионов с массами от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт
Нелегко искать что-то невидимое и редко взаимодействующее с обычной материей. Итак, ученые начинают с теоретизирования того, что может быть темной материей, а затем разрабатывают и проводят эксперименты для проверки каждой гипотезы. Проблема в том, что темная материя может быть чем угодно.
Частицы темной материи могут быть одними из самых легких во Вселенной, или же они могут иметь массу карликовой планеты, или где угодно между ними. Темная материя может быть «горячей» или «холодной», что не имеет ничего общего с температурой, но описывает, как быстро она движется. Она может существовать в возбужденных состояниях, или иметь более низкую энергию.
Может ли ЦЕРН создать темную материю?
3D-рендеринг Большого адронного коллайдера
Различные типы экспериментов охотятся за различными теоретическими частицами темной материи. Пожалуй, самые известные эксперименты проводятся церном на Большом адронном коллайдере (LHC). Там ученые ищут темную материю, пытаясь создать ее.
В LHC протоны сталкиваются с чрезвычайно высокими энергиями, создавая поток других частиц. Иногда это экзотические частицы, к которым ученые обычно не имеют доступа, и есть надежда, что темная материя может быть среди них.
Опять же, если бы темная материя была произведена в одном из этих столкновений, было бы невозможно непосредственно обнаружить – вместо этого она просто выплыла бы из туннеля, не взаимодействуя с детектором. Но именно это необнаружение и ищут ученые.
Хотя LHC совершил квадриллионы этих столкновений за эти годы, до сих пор не было обнаружено никаких подозрительных сигналов темной материи. Но это помогает сузить широкий спектр возможностей, поэтому будущие поиски могут быть более целенаправленными.
Возможно, ответ, наконец, придет после того, как в 2026 году модернизация LHC будет завершена.
Прямое обнаружение темной материи
В то время как LHC ищет в одной части спектра возможностей, другие эксперименты пытаются обнаружить его по-разному. Эти исследования основываются на возможности того, что темная материя иногда может взаимодействовать с обычной материей другими способами, кроме гравитации.
Эта базовая концепция была реализована в различных экспериментах по всему миру. Детекторы обычно размещаются в глубоких подземных камерах, вдали от помех, таких как космические лучи или электромагнитные сигналы. И все они ищут различные гипотетические частицы темной материи, используя в качестве детектора различные вещества.
В экспериментах типа LUX и XENON1T использовались огромные емкости с ксеноном, чтобы попытаться обнаружить кандидата темной материи, известного как слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP). Идея заключается в том, что когда эти теоретические WIMP сталкиваются с атомом ксенона в резервуаре, они испускают вспышку света, которую могут обнаружить инструменты.
Другое предложение будет использовать вместо этого сверхтекучий гелий. Логика заключается в том, что гелий имеет гораздо более легкое атомное ядро, чем ксенон, поэтому он должен быть более чувствительным к удару темной материи. Это означает, что он может собирать частицы темной материи, которые в 10 000 раз легче, чем другие эксперименты.
В других экспериментах все происходит совершенно по-другому.
Представление камеры радиообнаружения аксионов.
Одним из ведущих кандидатов на роль темной материи является гипотетическая частица, называемая аксионом. Если бы они существовали, то были бы электрически нейтральными, очень легкими и дрейфовали бы повсюду волнами. Но самое главное, они должны иметь крошечные, но обнаруживаемые взаимодействия с электричеством и магнетизмом – и именно так они могут проявляться.
Эксперимент ABRACADABRA предназначен для поиска магнитного отпечатка аксионами. Идея состоит в том, что из-за того, как работают электромагнитные поля, в самом центре кольцевого магнита не должно быть магнитного поля. Так что, если вы установите его и посмотрите на середину, аксион может заявить о себе, если там возникнет самопроизвольное магнитное поле.
В похожей идее ученые из Стокгольмского университета предложили устройство, которое они называют «Аксион-радио». Детектор также использует мощный магнит, но в центре находится камера, заполненная холодной плазмой, которая содержит лес ультратонких проводов. На этот раз любые аксионы, проходящие через него, создадут небольшое электрическое поле, которое приведет к колебаниям в плазме.
Эксперимент nEDM ищет аксионы по-другому. Здесь нейтроны захватываются и электризуются, затем их спин контролируется. Высокое напряжение должно влиять на их скорость спина на определенной частоте – и если эта частота будет видна, что изменяется с течением времени, это может быть признаком аксионной интерференции.
Нулевые результаты не являются недействительными
Охота на темную материю продолжается
Каждый тест ищет кандидатов на темную материю в определенном диапазоне масс и с определенными свойствами, и по мере того, как мы вычеркиваем их из списка, мы все больше приближаемся к истине. И это помогает тому, что многие эксперименты получают обновления в будущем, которые сделают их еще более чувствительными.
Тем временем, часто предлагаются совершенно новые идеи. В последние годы ученые предположили, что темная материя может принимать форму сверхтяжелых гравитино, гексакварков d-star или даже «темной жидкости» с отрицательной массой, пронизывающей Вселенную.
Или, конечно, возможно, это просто математическое недоразумение, и какая-то невидимая и неизвестная сила создает эти странные гравитационные эффекты. Что бы это ни было, охота на темную материю далека от завершения.
Что такое темная материя и зачем она нужна людям
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 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:
15% массы приходится на горячий газ;
5% — на светящуюся видимую материю;
оставшиеся 80% приходятся на темную материю.
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. Четыре 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!
Теодор Мейман Фото: ТАСС
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?
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.
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 10 30 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.
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.
Фотофакт
Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.
Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5–10% от массы Солнца.
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.
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.