Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Не получив убедительных лабораторных результатов, исследователи обращаются к другим методам поиска неуловимой субстанции.
Вселенная состоит из гораздо большего, чем кажется на первый взгляд. В то время как телескопы открывают бесчисленные галактики, каждая из которых содержит миллиарды звёзд, физики и астрономы считают, что видимая материя — это лишь верхушка айсберга, так сказать, и где-то должна существовать некая невидимая тёмная материя, составляющая около 85% массы Вселенной.
Никто не знает, из чего состоит тёмная материя, но учёные уверены, что это нечто, не взаимодействующее с электромагнитным излучением, как свет, иначе мы бы её видели.
Однако десятилетия поисков не привели к прямому обнаружению этой тёмной материи, заставляя исследователей задаваться вопросом, нужно ли им расширять стратегии поиска или, возможно, даже переосмыслить принципы работы гравитации.Новые модели Чёрных дыр – Прощай сингулярность и загадка Эйнштейна
Косвенные свидетельства и первые кандидаты
Доводы в пользу существования тёмной материи восходят к 1930-м годам, когда астрономы проанализировали скорости вращения галактик и обнаружили, что видимой материи недостаточно для объяснения наблюдаемых скоростей вращения.
Эти так называемые кривые вращения, которые отображают скорость движения звёзд в зависимости от их расстояния от центра галактики, не могли быть объяснены количеством звёзд, газа и пыли, видимых в каждой галактике.
С тех пор появились и другие свидетельства, полученные при изучении скоплений галактик. Форма скопления может искажаться из-за гравитационного влияния невидимой материи, находящейся между Землёй и скоплением.
Этот эффект, известный как «гравитационное линзирование» (искажение пути света от далёких объектов под действием гравитации массивных объектов, лежащих на луче зрения), служит дополнительным подтверждением концепции тёмной материи.
Иногда наблюдаются столкновения галактических скоплений; тщательные наблюдения динамики столкновения могут выявить присутствие невидимой материи, сопровождающей обоих участников пары.
Наиболее ярко этот эффект проявляется в так называемом скоплении Пуля (Bullet Cluster) — паре сталкивающихся галактических скоплений, расположенных примерно в 3,7 миллиардах световых лет от нашего Млечного Пути, — которое, по-видимому, демонстрирует результат столкновения «скопление на скопление».
Компьютерное моделирование столкновения предполагает, тёмная материя управляла процессом в той же степени, что и обычная материя. Ещё одна линия доказательств исходит из наблюдений реликтового излучения, или космического микроволнового фона (КМФ) (электромагнитное излучение, оставшееся со времён ранней Вселенной, равномерно заполняющее Вселенную), которое можно изучать с помощью радиотелескопов.
Это излучение, охватывающее всё небо, показывает «горячие» и «холодные» пятна — области более интенсивного и менее интенсивного излучения — которые трудно объяснить, не прибегая к идее тёмной материи.
Несмотря на убедительность этих наблюдений, все они являются косвенными; исследователи по-прежнему хотели бы напрямую «поймать» частицы тёмной материи.
На протяжении последних десятилетий ведущей теорией было то, что тёмная материя состоит из «слабовзаимодействующих массивных частиц», или вимпов (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, гипотетические частицы), — элементарных частиц, которые, как считается, были созданы около 14 млрд лет назад во время Большого Взрыва.
Сегодня эти частицы были бы рассеяны по всей Вселенной, но поскольку они слабо взаимодействуют с обычной материей, их невероятно трудно обнаружить. И хотя множество сложных экспериментов было направлено на поиск вимпов, убедительных следов обнаружено не было, что заставило некоторых учёных задуматься, не состоит ли тёмная материя из чего-то совершенно другого.
Хотя поиски этих неуловимых частиц продолжаются, многие учёные сейчас обращаются к более широкому спектру стратегий поиска — и к более длинному списку потенциальных кандидатов на роль тёмной материи — в попытке раскрыть почти вековую тайну.
Новые горизонты поиска и альтернативные частицы
Хотя ни одни лабораторные поиски тёмной материи пока не увенчались успехом, физикам удалось сузить диапазон масс, которыми могла бы обладать частица тёмной материи.
В августе исследователи эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) (эксперимент по прямому обнаружению тёмной материи, расположенный в Подземной исследовательской лаборатории Сэнфорд), объявили, что исключили вимпы с массами, превышающими примерно в 10-раз массу протона.
Хотя результат LUX-ZEPLIN исключает тяжёлые вимпы, всё ещё возможно существование более лёгких вимпов. И хотя более чувствительные эксперименты продолжат поиск лёгких вимпов, они неизбежно столкнутся с естественным пределом.
В итоге такие эксперименты станут настолько чувствительными, что начнут обнаруживать нейтрино — почти безмассовые субатомные частицы, образующиеся в ядре Солнца и в других высокоэнергетических астрофизических средах. Исследователи называют этот предел «нейтринным полом» (уровень фона от нейтрино, который будет мешать обнаружению более слабого сигнала от частиц тёмной материи).
Когда физики достигнут этой стадии, любые частицы тёмной материи, которые могли бы быть обнаружены, потеряются среди детектирований нейтрино.
По мере того, как исследователи всё ближе подходят к этому нейтринному полу, они, естественно, задумываются о других кандидатах на роль тёмной материи, помимо вимпов.
Уже было предложено множество других потенциальных кандидатов на роль тёмной материи, от экзотических частиц, известных как аксионы (гипотетические элементарные частицы, предложенные для решения проблемы сильного CP-нарушения в квантовой хромодинамике), до чёрных дыр и гипотетического нового вида нейтрино, известного как стерильное нейтрино.
Тёмная материя также может состоять из более чем одного вида частиц, при этом теоретики предполагают существование целого «тёмного сектора», состоящего из нескольких видов частиц тёмной материи. И среди кандидатов, не являющихся вимпами, аксионы могут стать фаворитом.
Аксионы, как потенциальные кандидаты на роль тёмной материи
Аксионы были впервые гипотетически предложены в 1970-х годах, когда физики разрабатывали Стандартную модель физики элементарных частиц (теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая сильное, слабое и электромагнитное фундаментальные взаимодействия).
Аксион — если он существует — решил бы определённые загадки, связанные с сильным ядерным взаимодействием, которое связывает атомные ядра вместе.
Как и вимпы, аксионы, как полагают, были произведены в очень ранней Вселенной. Со временем они бы слипались, и возрастающая гравитационная сила этих скоплений направляла бы эволюцию галактик — как, по мнению учёных, и делает тёмная материя. Но аксионы считаются ещё легче вимпов и, следовательно, столь же неуловимы и трудны для обнаружения.
«Аксионы естественным образом образуются в ранней Вселенной в достаточном количестве, чтобы объяснить всю тёмную материю сегодня», — говорит Питер Грэм, физик-теоретик из Стэнфордского университета. «Тот факт, что они намного легче вимпов, просто означает, что их численная плотность должна была бы быть намного выше, чтобы иметь наблюдаемую плотность энергии тёмной материи».
Сегодня различные лаборатории ищут аксионы, но пока без определённых результатов.
Астрономические поиски и теории гравитации
В то время как физики охотятся за тёмной материей в лабораториях, у астрономов есть свои стратегии поиска её свидетельств в глубоком космосе.
Их наблюдения предполагают, что большинство галактик, включая наш Млечный Путь, окружены «гало» тёмной материи — сферическими оболочками тёмной материи, которые простираются далеко за пределы видимой части галактики. И хотя эти гало невидимы, галактическую тёмную материю всё же можно изучать косвенно.
Например, новое поколение космических телескопов будет искать признаки столкновения частиц тёмной материи друг с другом; такие столкновения производили бы вспышки высокоэнергетического излучения, которые можно было бы наблюдать с помощью гамма-телескопов.
Другая стратегия заключается в изучении лентообразных полос звёзд, известных как «звёздные потоки», в окрестностях нашей галактики. Отслеживание положений и движения этих потоков может выявить, как распределена тёмная материя в галактике.
Другая возможность — рассматриваемая как несколько маловероятная — заключается в том, что тёмной материи на самом деле не существует, а вместо этого есть что-то в гравитации, чего мы не совсем понимаем.
Пока лучшая теория гравитации — это общая теория относительности, разработанная Альбертом Эйнштейном чуть более 100 лет назад; и до сих пор она проходила все проверки. Но это не остановило некоторых теоретиков от предположения, что её следует подправить: возможно, если бы уравнения Эйнштейна были немного скорректированы, проблема тёмной материи просто исчезла бы.
Никаких вимпов, никаких аксионов — просто небольшая правка уравнений столетней давности.
Но физики, изучавшие свидетельства существования тёмной материи, говорят, что всё не так просто. Хотя модифицированная теория гравитации могла бы объяснить кривые вращения галактик, они утверждают, что нет простого способа учесть данные наблюдений галактических скоплений, гравитационного линзирования и реликтового излучения, которые и указывают на невидимую тёмную материю.
На данный момент физики, похоже, одновременно воодушевлены точностью последних экспериментов — вимпы, всё ещё не исключены — а также разочарованы отсутствием каких-либо убедительных лабораторных результатов после десятилетий поисков.
Для многих астрономов и физиков понимание природы тёмной материи является самой насущной проблемой, движущей их исследованиями. По крайней мере, решение загадки тёмной материи пролило бы свет на фундаментальную физику Вселенной.
Поделись видео: