Просто про складне: що таке темна матерія і де її шукати. Чи ховається життя в темній матерії? Розпад бозона Хіггса на темну матерію

Екологія пізнання. Частинки темної матерії не виробляють, не відбивають і поглинають світло. Тим не менш, хоч ми і не можемо бачити

Частинки темної матерії не виробляють, не відбивають і поглинають світло. Тим не менш, хоча ми і не можемо бачити темну матерію безпосередньо і досі не розуміємо її природи, вчені сходяться на думці, що вона становить до 26% відомого нам Всесвіту, спостерігаючи за гравітаційними ефектами, які вона має на інші космічні об'єкти. Як і вітер, що гне дерево, ми не бачимо темну матерію, але знаємо, що вона є. Виходячи з цих спостережень, вчені розробляють дуже цікаві теорії щодо цієї загадкової субстанції. Якщо вона буде виявлена, наше розуміння Всесвіту суттєво проясниться.

Темна матерія може спричинити масове вимирання

Майкл Рампіно, професор біології з Університету Нью-Йорка, вважає, що рух Землі через галактичний диск (наш регіон у галактиці Чумацький Шлях) міг стати причиною масових вимирань на Землі. Це сталося тому, що наш рух порушив орбіти комет у зовнішній Сонячній системі (відомій як «хмара Оорта») та викликав збільшення теплоти ядра нашої планети.

Разом зі своїми планетами Сонце звертається навколо центру Чумацького Шляху кожні 250 мільйонів років. Під час своєї подорожі вона пасе через галактичний диск кожні 30 мільйонів років. Рампіно стверджує, що прохід Землі через диск збігається з падінням комет і масовими вимираннями на Землі, включаючи те, що сталося 65 мільйонів років тому, коли динозаври вимерли. Є також теорія, що перед тим, як астероїд поклав кінець гігантським ящерам, їх ряди суттєво прорідили вулканічні виверження.

Поєднання незвичайної вулканічної активності та зіткнення з астероїдом збігаються з проходженням Землі через галактичний диск: "Під час проходження через диск концентрації темної матерії порушують шляхи комет, які, як правило, пролітають далеко від Землі у зовнішній Сонячній системі", - говорить Рампіно. "Це означає, що комети, які зазвичай подорожують на великих відстанях від Землі, вибирають незвичайні шляхи аж до зіткнення з планетою". Дехто вважає, що теорія Рампіно не працює, тому що динозаври вимерли через падіння астероїда, а не комети. Проте 4% хмари Оорта складається з астероїдів, а це близько восьми мільярдів.

На додаток до цього Рампіно вважає, кожен прохід Землі через галактичний диск приводив до того, що темна матерія накопичувалася в ядрі планети. Оскільки частинки темної матерії анігілюють одна одну, вони створюють сильне тепло, а може викликати вулканічні виверження, зміни рівня моря, зростання гір та іншу геологічну активність, яка серйозно впливає життя на Землі.

Чумацький Шлях може бути гігантською червоточиною

Можливо, ми живемо у гігантському тунелі, який є коротким шляхом через Всесвіт. Як передбачає загальна теорія відносності Ейнштейна, червоточина - це регіон, в якому простір і час викривляються, створюючи «кротову нору» у віддалену частину Всесвіту. На думку астрофізиків з Міжнародної школи розвинених досліджень у Трієсті, Італія, темна матерія в нашій галактиці може бути розподілена таким чином, що забезпечує стабільно існуючу червоточину в середині нашого Чумацького Шляху. Ці вчені вважають, що настав час переосмислити природу темної матерії, можливо, вона просто є частиною іншого виміру.

«Якщо ми об'єднаємо карту темної матерії в Чумацькому Шляху з останньою моделлю Великого Вибуху, - каже професор Пауло Салуччі, - і припустимо існування просторово-часових тунелів, ми отримаємо, що наша галактика цілком може мати один з таких тунелів, і такий тунель може бути розміром із цілу галактику. Крім того, ми можемо навіть пройти через цей тунель, оскільки він, згідно з нашими розрахунками, буде судноплавним. Як те, що ми бачили у фільмі «Інтерстелар».

Звичайно, це лише теорія. Але вчені вважають, що темна матерія може бути ключем до створення червоточини та спостереження за нею. Поки що жодних червоточин у природі виявлено не було.

Відкриття галактики X

Галактика X також відома як галактика темної матерії, здебільшого невидима карликова галактика, яка може бути причиною дивної брижі в холодному водні за межами диску Чумацького Шляху. Вважається, що галактика X є супутниковою галактикою Чумацького Шляху в кластері з чотирьох змінних цефеїд, пульсуючих зірок, які використовуються як маркери для вимірювання відстаней у космосі. Ми не бачимо решту цієї карликової галактики, тому що вона складається з темної матерії, згідно з теорією. Проте завдяки гравітаційному тяжінню цієї галактики виникає брижі, які ми бачимо. Без джерела гравітації у вигляді темної матерії, що утримує їх разом, чотири цефеїди, швидше за все, розлетілися б геть.

«Відкриття змінних цефеїд показує, що наш метод знаходження місць карликових галактик з переважно темною матерією працює, - каже астроном Суканія Чакрабарті. - Це може допомогти нам зрештою зрозуміти, з чого складається темна матерія. Також це показує, що теорія тяжіння Ньютона може використовуватися в найдальших куточках галактики і немає необхідності змінювати нашу теорію гравітації».

Розпад бозона Хіггса на темну матерію

Розроблена в 1970-і роки Стандартна модель фізики елементарних частинок є набором теорій, які по суті пророкують всі відомі субатомні частинки у Всесвіті і те, як вони взаємодіють. З підтвердженим 2012 року існуванням бозона Хіггса (відомим також як «частка Бога»), Стандартна модель стала завершеною. На жаль, ця модель пояснює далеко не все і нічого не говорить про гравітацію та темну матерію. Маса частинки Хіггса також здається замалою деяким вченим.

Це й спонукало вчених із Технологічного університету Чалмерса запропонувати нову модель, засновану на суперсиметрії, яка оснащує кожну відому частинку Стандартної моделі важчим суперпартнером. Згідно з новою теорією, невелика частина частинок Хіггса розпадається на фотон (частку світу) і два гравітіно (гіпотетичні частинки темної матерії). Якщо ця модель підтвердиться, то вона повністю переверне наше розуміння фундаментальних будівельних блоків природи.

Темна матерія на Сонці

Залежно від методу, що використовується для аналізу Сонця, кількість елементів важча водню або гелію коливатиметься на 20-30 відсотків. Ми можемо виміряти кожен з цих елементів, дивлячись на спектр випромінюваного ним світла, як на відбиток пальця, або вивчити, як він впливає на звукові хвилі, що проходять крізь Сонце. Таємнича різниця у цих двох типах виміру елементів Сонця називається проблемою сонячного надлишку (або достатку).

Нам необхідно точно виміряти ці елементи, щоб зрозуміти хімічний склад Сонця, а також його щільність та температуру. Багато в чому це також допоможе нам зрозуміти склад та поведінку інших зірок, а також планет та галактик.

Протягом багатьох років вчені було неможливо розробити прийнятне рішення. Потім астрофізик Аарон Вінсент та його колеги припустили наявність темної матерії в ядрі Сонця як можливу відповідь на запитання. Після перевірки багатьох моделей, вони дійшли теорії, яка начебто працювала. Проте вона включала спеціальний тип темної матерії – «слабко взаємодіючу асиметричну темну матерію», яка могла бути або матерією, або антиматерією одночасно.

На основі вимірів гравітації вчені дізналися, що Сонце оточує гало темної матерії. Частинки асиметричної темної матерії не містять багато антиматерії, тому можуть переживати контакт із звичайною матерією та накопичуватися в ядрі Сонця. Ці частинки можуть абсорбувати енергію в центрі Сонця, а потім транспортувати її тепло до зовнішніх країв, що могло б пояснити проблему сонячного надлишку.

Темна матерія може бути макроскопічною

Вчені Case Western Reserve сумніваються, що ми шукаємо темну матерію в потрібних місцях. Зокрема, вони припускають, що темна матерія може складатися не з крихітних екзотичних частинок на зразок вимпів (слабко взаємодіючих масивних частинок), а з макроскопічних об'єктів, що варіюються від кількох сантиметрів до розмірів астероїду. Проте вчені обмежують свою теорію тим, що спостерігається в космосі. Звідси народжується їхня віра, що Стандартна модель фізики елементарних частинок дасть відповідь. Нова модель не потрібна.

Вчені назвали свої об'єкти темної матерії «макросами». Вони не стверджують, що вимпів та аксіонів немає, але припускають, що наш пошук темної матерії може включати інших кандидатів. Є приклади матерії, яка не є ні звичайною, ні екзотичною, але підходить за параметрами до Стандартної моделі.

«Наукова спільнота відмовилася від думки, що темна матерія може складатися зі звичайної речовини, наприкінці 80-х, – каже професор фізики Глен Старкмен. - Ми запитуємо, чи не помилилося воно і чи не може темна матерія складатися зі звичайної речовини - кварків і електронів?».

Виявлення темної матерії по GPS

Двоє фізиків запропонували використовувати GPS-супутники для пошуку темної матерії, яка, на думку вчених, може не бути частинками у загальноприйнятому значенні, а скоріше потіками у тканині простору-часу.

«Наше дослідження переслідує думку, що темна матерія може бути організована як гігантські газоподібні збори топологічних дефектів, або енергетичних тріщин, – каже Андрій Дерев'янко з Університету штату Невада. - Ми пропонуємо виявити ці дефекти, темну матерію, за допомогою мережі чутливого атомного годинника. Ідея полягає в тому, що коли годинник розсинхронізується, ми знатимемо, що в цьому місці пройшла темна матерія, топологічний дефект. По суті ми плануємо використовувати GPS-супутники як найбільший створений людиною детектор темної матерії».

Вчені аналізують дані з 30 GPS супутників і намагаються з їх допомогою перевірити свою теорію. Якщо темна матерія дійсно є газоподібною, Земля проходитиме через неї в міру руху по галактиці. Виступаючи як вітер, шматки темної матерії будуть здуватися Землею та її супутниками, внаслідок чого GPS-годинник на супутниках і на землі втрачатиме синхронізацію кожні три хвилини. Вчені зможуть контролювати розбіжності до однієї мільярдної частки секунди.

Темна матерія може харчуватися темною енергією

Згідно з одним з останніх досліджень, темна енергія може харчуватися темною матерією в міру їхньої взаємодії, що, у свою чергу, уповільнює зростання галактик і в кінцевому підсумку може залишити Всесвіт мало не порожнім. Цілком можливо, що темна матерія розпадається на темну енергію, але цього ми поки що не знаємо. Космічний апарат Планк нещодавно уточнив цифри фізичного складу Всесвіту: 4,9% звичайної матерії, 25,9% темної матерії та 69,2% темної енергії.

Ми не бачимо темної матерії чи темної енергії. Ці терміни навіть дуже добре розписані науковим співтовариством. Вони більше схожі на умовні позначення, які залишатимуться, допоки ми не зрозуміємо, що відбувається насправді.

Темна матерія притягує, а темна енергія відштовхує. Темна матерія є рамою чи основою, де будуються галактики та його зміст. Її гравітаційне тяжіння, як вважають, утримує зірки разом у галактиках. Гравітація сильніша, коли об'єкти знаходяться ближче один до одного, і слабша, коли вони далі один від одного.

З іншого боку, темна енергія означає силу, яка змушує Всесвіт розширюватися, розкидаючи галактики геть. Оскільки темна енергія відштовхує ці об'єкти, гравітація слабшає. Це свідчить, що розширення простору прискорюється, а чи не уповільнюється внаслідок гравітаційних ефектів, як вважали одного разу.

«З кінця 1990-х років астрономи переконалися в тому, що щось змушує розширення нашого Всесвіту прискорюватись, – каже професор Девід Вондс із Університету Портсмута. - Просте пояснення полягає в тому, що порожній космос - вакуум - має енергетичну щільність, яка є космологічною постійною. Тим не менш, з'являється все більше доказів того, що ця проста модель не може пояснити повний діапазон астрономічних даних, до яких мають доступ вчені. Зокрема, розростання космічної структури, галактик та скупчень галактик відбувається повільніше, ніж очікувалося».

Темна матерія викликає брижі в галактичному диску

Якщо дивитися в космос із Землі, ми побачимо, що зірки раптово закінчуються за 50 000 світлових років від центру нашої галактики. Отже, це кінець галактики. Ми не побачимо нічого серйозного, поки не відійдемо на 15 000 світлових років від цього кордону, Кільця Єдинорога, зірок, які розташовуються вище за площину нашої галактики. Деякі вчені вважали, що ці зірки були відірвані від іншої галактики.

Однак новий аналіз даних у ході Sloan Digital Sky Survey показав, що Кільце Єдинорога по суті є частиною нашої галактики. Це означає, що Чумацький Шлях щонайменше на 50% більше, ніж ми думали, а діаметр нашої галактики збільшується зі 100 000–120 000 світлових років до 150 000–180 000 світлових років.

Дивлячись із Землі, ми не бачимо, що вони з'єднуються через провали в галактичному диску. Ця бриж схожа на концентричні кола, які розходяться від місця падіння каменю у воду. Хвиля піднімається і закриває вигляд океану, залишаються видні лише вищі хвилі. Отже, хоча наш погляд був частково заблокований формою нашої галактики, ми побачили Кільце Єдинорога немов вершину високої хвилі.

Це відкриття змінює наше розуміння будови Чумацького Шляху.

«Ми виявили, що диск Чумацького Шляху – не просто диск зірок в одній площині, він гофрований, – каже Хайді Ньюберг із Наукової школи Ренсселера. - Ми бачимо щонайменше чотири западини в диску Чумацького Шляху. І оскільки ці чотири западини видно лише з нашої точки зору, можна припустити, що подібна брижина є по всьому диску Чумацького Шляху».

Вчені вважають, що ця бриж може бути викликана шматком темної матерії або карликової галактики, що розсікла Чумацький Шлях. Якщо ця теорія виявиться вірною, концентричні западини Чумацького Шляху допоможуть вченим проаналізувати розподіл темної матерії в нашій галактиці.

Гамма-променева сигнатура

Донедавна єдиним способом, за допомогою якого вчені могли виявити темну матерію, було спостереження його можливого гравітаційного на інші космічні об'єкти. Проте вчені вважають, що гамма-промені могли б бути прямою вказівкою на те, що темна матерія ховається у нашому Всесвіті. Можливо, вони вже виявили першу гамма-променеву сигнатуру в Reticulum 2, нещодавно виявлену карликову галактику біля Чумацького Шляху.

Гамма-промені - це форма високоенергетичного електромагнітного випромінювання, що випускається із щільних центрів галактик. Якщо темна матерія справді складається з вимпів, частинки темної матерії можуть бути джерелом гамма-променів, що утворюються в процесі взаємної анігіляції вимпів при контакті. Проте гамма-промені також можуть виділятися іншими джерелами на зразок чорних дірок та пульсарів. Якщо в процесі аналізу вдасться відокремити одні джерела від інших, ми зможемо отримати гамма-промені темної матерії. Але це лише теорія.

Вчені вважають, що у більшості карликових галактик немає важливих джерел гамма-променів, на темну матерію може припадати 99%. Тому фізики з університетів Карнегі-Меллона, Брауна та Кембриджа розхвилювалися у зв'язку з отриманням гамма-променів із Reticulum 2.

«Гравітаційне виявлення темної матерії може сказати дуже небагато про поведінку частинок темної матерії, – каже Метью Вокер з Університету Карнегі-Меллона. - Тепер у нас є негравітаційне виявлення, яке демонструє, що темна матерія поводиться як частка, і це дуже важливо».

Звичайно, залишається можливість, що це гамма-випромінювання надійшло з інших джерел, які поки що не були визначені. Разом з тимостаннє виявлення дев'яти карликових галактик поряд із Чумацьким Шляхом дає вченим можливість для подальшого дослідження цієї теорії. опубліковано

Питання походження Всесвіту, його минулого і майбутнього хвилювало людей з давніх-давен. Протягом багатьох століть теорії виникали та спростовувалися, пропонуючи картину світу, що спирається на відомі дані. Ґрунтовним потрясінням для наукового світу стала теорія відносності Ейнштейна. Вона ж зробила величезний внесок у розуміння процесів, що формують Всесвіт. Однак і теорія відносності не могла претендувати на звання істини в останній інстанції, яка не потребує будь-яких доповнень. Удосконалені технології дозволили астрономам зробити немислимі раніше відкриття, які зажадали нової теоретичної бази чи значного розширення існуючих положень. Одним із таких феноменів стала темна матерія. Але про все по порядку.

Справи давно минулих днів

Для розуміння терміну «темна матерія» повернемося на початок минулого століття. На той час панувала уявлення про Всесвіт як про стаціонарну структуру. Тим часом, загальна теорія відносності (ОТО) передбачала, що рано чи пізно призведе до «злипання» всіх об'єктів космосу в єдиний клубок, відбудеться так званий гравітаційний колапс. Між космічними об'єктами немає сил відштовхування. Взаємне тяжіння компенсується відцентровими силами, що створюють постійний рух зірок, планет та інших тіл. У такий спосіб підтримується рівновага системи.

Для того щоб запобігти теоретичному колапсу Всесвіту, Ейнштейн ввів космологічну постійну - величину, що приводить систему в необхідний стаціонарний стан, але при цьому фактично вигадану, яка не має очевидних підстав.

Всесвіт, що розширюється.

Обчислення та відкриття Фрідмана та Хаббла показали відсутність необхідності порушувати стрункі рівняння ОТО за допомогою нової постійної. Було доведено, і сьогодні цей факт практично ні в кого не викликає сумнівів, що Всесвіт розширюється, він мав колись початок, і про стаціонарність йти не може. Подальший розвиток космології спричинив появу теорії великого вибуху. Головне підтвердження нових припущень - збільшення з часом відстані між галактиками. Саме вимір швидкості видалення одна від одної сусідніх космічних систем і призвело до формування гіпотези про те, що існує темна матерія та темна енергія.

Дані, які не узгоджуються з теорією

Фріц Цвіккі у 1931 році, а потім і Ян Оорт у 1932-му та у 1960-х займалися підрахунком маси речовини галактик у віддаленому скупченні та співвідношення її зі швидкістю видалення їх один від одного. Щоразу вчені приходили до одних і тих самих висновків: такої кількості речовини недостатньо, щоб гравітація, що ним створювалася, могла втримати разом галактики, що рухаються з такими великими швидкостями. Цвіккі та Оорт припустили, що існує прихована маса, темна матерія Всесвіту, що не дозволяє космічним об'єктам розлетітися в різні боки.

Проте гіпотеза здобула визнання наукового світу лише у сімдесятих роках, після оголошення результатів роботи Віри Рубін.

Вона побудувала криві обертання, що наочно демонструють залежність швидкості руху речовини галактики від відстані, що відокремлює його від центру системи. Попри теоретичні припущення виявилося, що швидкості зірок у міру віддалення від галактичного центру не зменшуються, а зростають. Пояснити подібну поведінку світил можна було лише наявністю галактики гало, яке заповнює темна матерія. Астрономія, таким чином, зіткнулася з зовсім невивченою частиною світобудови.

Властивості та склад

Темною цей називають тому, що її не можна побачити жодними способами. Її присутність упізнається за непрямою ознакою: темна матерія створює гравітаційне поле, при цьому не випромінюючи електромагнітних хвиль.

Найважливішим завданням, що постала перед вченими, стало отримання відповіді питання, з чого складається ця матерія. Астрофізики намагалися «наповнити» її звичною баріонною речовиною (баріонна матерія складається з більш-менш вивчених протонів, нейтронів та електронів). У темне гало галактик включали компактні зірки типу і величезні, по масі наближені до Юпітера планети. Проте такі припущення не витримували перевірки. Баріонна матерія, звична і відома, таким чином, не може відігравати суттєвої ролі у прихованій масі галактик.

Сьогодні пошуком невідомих складових займається фізика. Практичні дослідження вчених ґрунтуються на теорії суперсиметрії мікросвіту, згідно з якою для кожної відомої частки існує суперсиметрична пара. Ось вони й складають темну матерію. Однак доказів існування подібних частинок поки що отримати не вдалося, можливо, це справа найближчого майбутнього.

Темна енергія

Відкриттям нового типу матерії не закінчилися сюрпризи, які підготував Всесвіт вченим. У 1998 році астрофізикам представився ще один шанс зіставити дані теорій із фактами. Цей рік ознаменувався вибухом у далекій від нас галактиці.

Астрономи виміряли відстань до неї і вкрай здивувалися отриманим даним: зірка спалахнула набагато далі, ніж це мало бути відповідно до існуючої теорії. Виявилося, що згодом збільшується: зараз вона набагато вища, ніж була 14 мільярдів років тому, коли, ймовірно, стався великий вибух.

Як відомо, щоб прискорити рух тіла йому потрібно передати енергію. Силу, яка змушує Всесвіт розширюватися швидше, почали називати темною енергією. Не менш загадкова частина космосу, ніж темна матерія. Відомо лише, що для неї характерний рівномірний розподіл по всьому Всесвіту, а зареєструвати його вплив можна лише на величезних космічних відстанях.

І знову космологічна стала

Темна енергія похитнула теорію величезного вибуху. Частина наукового світу скептично ставиться до можливості подібної субстанції та викликаного їй прискорення розширення. Деякі астрофізики намагаються відродити забуту космологічну постійну Ейнштейна, яка знову з розряду великої наукової помилки може перейти до робочих гіпотез. Її присутність у рівняннях створює антигравітацію, що веде до прискорення розширення. Однак деякі наслідки наявності не узгоджуються з даними спостережень.

Сьогодні темна матерія та темна енергія, що становлять більшу частину речовини у Всесвіті, — загадки для вчених. Однозначної відповіді питання їх природі немає. Більше того, можливо це не остання таємниця, що зберігає від нас космос. Темна матерія та енергія можуть стати напередодні нових відкриттів, здатних перевернути наше уявлення про будову Всесвіту.

• Переклад

Прямо у вас під носом може існувати невидима цивілізація

Хоча ми знаємо, що нормальна матерія відповідає всього за 1/20 енергії Всесвіту і 1/6 енергії, що переноситься матерією (а решта відходить на рахунок темної енергії), ми вважаємо звичайну матерію дуже важливою складовою. За винятком космологів, майже всі люди концентруються на звичайній матерії, хоча вона, з енергетичної точки зору, не така вже й важлива.

Звичайна матерія більш дорога нам, зрозуміло, тому, що ми з неї складаємося – як і весь відчутний світ, в якому ми живемо. Але також ми цікавимося нею через багате розмаїття її взаємодій. Взаємодії звичайної матерії включають електромагнітне, слабке та сильне – вони допомагають матерії формувати складні щільні системи. Не лише зірки, а й каміння, океани, рослини та тварини існують завдяки негравітаційним силам природи, відповідальним за взаємодії. Так само, як на гуляку більше впливає алкоголь, ніж решта складових пива, так і звичайна матерія, хоча і переносить малу частину енергетичної щільності, впливає на себе і оточення набагато помітніше, ніж щось, що просто пролітає повз.

Знайому нам видиму матерію можна як привілейований відсоток – точніше, 15% - матерії. У бізнесі та політиці 1% людей впливає на рішення та правила, а 99% популяції, що залишилися, забезпечують інфраструктуру та підтримку – обслуговують будівлі, підтримують працездатність міст, доставляють їжу. Так само і звичайна матерія впливає майже на все, що ми відзначаємо, а темна матерія, в її достатку та повсюди, допомагає створювати скупчення та галактики, забезпечує формування зірок, але мало впливає на наше безпосереднє оточення.

Близькими нам структурами управляє проста матерія. Вона відповідає за рух наших тіл, за енергетичні джерела, які живлять нашу економіку, за екран комп'ютера або папір, на якому ви читаєте це, і практично за все, що ви можете собі уявити. Якщо щось взаємодіє так, що це можна виміряти, воно варте уваги, оскільки воно зможе впливати на наше оточення.

Зазвичай темна матерія не має такого цікавого впливу і структури. Передбачається, що темна матерія - це клей, що утримує галактики та їх скупчення, що знаходиться в аморфних хмарах. Але що, якщо це не так, і тільки наша упередженість – і незнання, корінь упередженості – є причиною нашого невірного уявлення?

У Стандартній моделі є шість типів кварків, три типи заряджених лептонів (включаючи електрон), три види нейтрино, частинки, що відповідають за всі сили, а також новонабутий бозон Хіггса. Що, якщо світ темної матерії може й не настільки, але теж різноманітний? У цьому випадку взаємодії темної матерії будуть зневажливими, але невелика її частина взаємодіятиме з силами, що нагадують сили звичайної матерії. Багата та складна структура частинок і сил Стандартної моделі відповідає за безліч цікавих феноменів. Якщо темна матерія має взаємодіючий компонент, він теж може виявитися впливовим.

Якби ми були істотами, які з темної матерії, було б неправильним вважати, що це частки звичайної матерії однакові. Можливо, люди, що складаються зі звичайної матерії, роблять ту саму помилку. Враховуючи складність СМ фізики частинок, що описує найпростіші з відомих нам компонентів матерії, здається дивним припускати, що вся темна матерія складається лише з одного виду частинок. Чому б не припустити, що її частина схильна до своїх власних взаємодій?

У такому випадку, так само, як звичайна матерія складається з різних типів частинок, і всі ці фундаментальні складові взаємодіють через різні комбінації зарядів, у темної матерії також будуть різні складові частини - і хоча б один тип таких частинок братиме участь у негравітаційних взаємодіях . Нейтрино СМ не піддаються впливу електричної сили або сильної взаємодії, на відміну від шести типів кварків.

Так само, можливо, один тип частинок темної матерії слабо або взагалі не взаємодіє ні з чим, крім як за допомогою гравітації, але якісь 5% частинок відчувають інші взаємодії. На основі вивчення звичайної матерії можна сказати, що такий варіант вірогідніший, ніж звичайне припущення про наявність однієї слабовзаємодіючої частки.

Помилкою людей, які займаються зв'язками з іноземною громадськістю, буває спроба зігріти культуру іншої країни в купу, і не враховувати того факту, що в ній може існувати різноманітність, очевидна для своєї країни. Так само, як хороший переговорник не передбачає переважання одного сектора суспільства над іншим, намагаючись порівнювати різні культури, так і неупереджений учений не повинен припускати, що темна матерія не така цікава, як звичайна, і в ній не вистачає різноманітності матерії, схожої на те, що є у нашій.

Корі Пауелл, який пише на науково-популярні теми, повідомляючи про наше дослідження в журналі Discover, почав зі слів про те, що він «шовініст легкої матерії» – і що всі ми теж. Він мав на увазі, що ми вважаємо, ніби знайома нам матерія важливіша, і, отже, складніша і цікавіша. Дуже схожі уявлення були перекинуті революцією Коперника. Але більшість людей наполягають на тому, що їхня точка зору і переконаність у нашій важливості відповідають реальному світу.

Безліч компонентів звичайної матерії по-різному взаємодіють і по-різному впливають на світ. Так, можливо, і в темної матерії є різні частинки з різною поведінкою, що впливають на структуру Всесвіту вимірюваним чином.

Вперше почавши вивчати темну матерію, що частково взаємодіє, я здивувався, що практично ніхто не замислювався про те, що припущення, згідно з яким тільки звичайна матерія демонструє різноманітність типів частинок і взаємодій, є зарозумілою помилкою. Деякі фізики намагалися аналізувати такі моделі, як «дзеркальна темна матерія», в якій темна матерія повторює все, що властиво звичайній. Але такі приклади екзотичні. Їхні наслідки важко поєднати з тим, що нам відомо.

Декілька фізиків вивчали більш спілкування моделі взаємодії темної матерії. Але вони припускали, що вся темна матерія однакова і піддається однаковим взаємодіям. Ніхто не допускав простий повноваження, через яку, хоча більшість темної матерії не взаємодіє зі звичайною, мала її частка може це робити.

Одна із причин цього зрозуміла. Більшість людей вважають, що новий тип темної матерії не буде впливати на більшу частину спостережуваних явищ, якщо це лише невелика частина від темної матерії. Ми ще навіть не змогли поспостерігати за найголовнішим компонентом темної матерії, і займатися її невеликою складовою здається передчасним.

Але якщо згадати, що звичайна матерія переносить лише 20% енергії від темної, причому більшість із нас помічає лише її, можна зрозуміти, у чому ця логіка неправа. Матерія, що взаємодіє через більш потужні негравітаційні сили, може представляти більше інтересу і надавати більше впливу, ніж більшість слабко взаємодіючої матерії.

Зі звичайною матерією так і є. Вона надмірно впливова, незважаючи на її малу кількість, оскільки вона стискується в щільні диски, з яких можуть формуватися зірки, планети, Земля та життя. Заряджений компонент темної матерії – хоч його може і не бути так багато – теж може стискатися та формувати диски, такі як видимий диск у Чумацькому шляху. Він навіть може згущуватися в об'єкти, схожі на зірки. Таку структуру в принципі можна поспостерігати, і, можливо, це ще простіше зробити, ніж звичайна холодна темна матерія, розсіяна у величезному гало сферичному.

Якщо розмірковувати в такий спосіб, кількість можливостей швидко зростає. Адже електромагнетизм – лише одна з кількох негравітаційних взаємодій, що випробовуються частинками Стандартної моделі. Крім сили, що прив'язує електрони до ядер, частинки СМ відчувають слабку та сильну ядерну взаємодію. У світі звичайної матерії можуть існувати й інші взаємодії, але настільки слабкі на доступних нам енергіях, що їх ніхто не спостерігав. Але навіть присутність трьох негравітаційних взаємодій натякає те що, що у темному секторі також можуть бути присутніми негравітаційні взаємодії крім темного електромагнетизму.

Можливо, на темну матерію, крім сил, схожих на електромагнітну, впливають і сили ядерного спрямування. Можливо, що з темної матерії можуть формуватися темні зірки, в яких йдуть ядерні реакції, завдяки яким утворюються структури, що поводяться більш схожим на звичайну матерію чином, ніж темна матерія, що описується мною досі. У такому разі в темному диску можуть бути темні зірки, оточені темними планетами, що складаються з темних атомів. У темної матерії може спостерігатися та сама складність, що є і у звичайної.

Частково взаємодіюча темна матерія є багатим ґрунтом для вигадок і надихає нас на розгляд можливостей, до яких інакше ми б і не звернулися. Письменники та кіношники можуть знайти всі ці додаткові сили та наслідки, що ховаються в темному секторі, дуже привабливими. Вони могли б навіть припустити наявність темного життя, що існує паралельно з нашим. У цьому випадку замість звичайних анімованих істот, що борються з іншими анімованими істотами, або, в окремих випадках, що працюють з ними спільно, по екрану могли б марширувати істоти з темної матерії, які перетягли б на себе всю дію.

Але дивитись на це було б не так цікаво. Проблема в тому, що кінематографісти зіткнулися б із труднощами під час зйомок темного життя, невидимого для нас. Навіть якби й існували темні істоти, ми не дізналися б про це. Ви не можете знати, наскільки симпатичним могло бути темне життя - і майже напевно не дізнаєтеся.

Хоча досить весело розмірковувати про можливості існування темного життя, набагато складніше придумати, як його спостерігати - або хоча б виявити його існування за непрямими ознаками. Досить складно знайти життя, що складається з тих самих компонентів, що й ми, хоча пошуки позасонячних планет йдуть. Але докази існування темного життя, якщо воно існує, будуть ще більш невловимими, ніж докази існування звичайного життя у віддалених світах.

Зовсім недавно нам вдалося поспостерігати гравітаційні хвилі, що походять від величезних чорних дірок. У нас практично немає шансу виявити гравітацію темної істоти або цілої армії темних істот, неважливо, як близько від нас вони знаходяться.

В ідеалі хотілося б якось спілкуватися із цим новим сектором. Але якщо це нове життя не піддається впливу знайомих нам сил, цього не буде. Хоча ми поділяємо з ними гравітацію, такий вплив одного об'єкта чи життєвої форми буде надто слабким виявлення. Тільки дуже великі об'єкти, типу диска в площині Чумацького шляху, можуть породжувати ефекти, що спостерігаються.

Темні об'єкти або темне життя можуть існувати дуже близько до нас – але якщо загальна маса темної речовини невелика, ми не дізнаємося про це. Навіть із сучасною технологією, або будь-якою технологією, яку ми можемо уявити, перевірити можна буде лише дуже специфічні можливості. «Тіньове життя», яким би воно не було хвилюючим, навряд чи матиме наслідки, які ми відчуваємо, і може бути спокусливою, але недосяжною можливістю. Але темне життя – це дуже вільне припущення. Фантастам не складе проблем створити її, але у Всесвіту для цього є набагато більше перешкод. Незрозуміло, які з варіантів хімічних взаємодій здатні підтримувати життя, і нам невідомо, яке середовище необхідне для тих варіантів, які здатні це робити.

Тим не менш, в принципі темне життя може існувати прямо у нас під носом. Але без більш сильних взаємодій з матерією нашого світу вона може розважатися, боротися, бути активною чи пасивною – і ми ніколи не дізнаємося про це. Цікаво, однак, що за наявності взаємодій у темному світі, пов'язаних чи не пов'язаних із життям, вони можуть впливати на структуру вимірюваним чином. І тоді ми зможемо набагато більше дізнатися про темний світ.

Більшість матерії, що становить Всесвіт, надійно прихована від наших очей.

Складаючи в голові наочне уявлення про будову галактики, ми, ймовірно, бачимо перед собою спіралі із зірок, що обертаються в чорній космічній порожнечі. Маючи дуже потужний телескоп, ми могли б і реально розглянути окремі зірки, що складають рукави спіральних галактик, оскільки вони випромінюють достатню кількість світла та інших хвиль. Змогли б ми «розглянути» і темні області всередині галактик — хмари міжзоряного пилу та газу, що поглинають, а не випромінюють світло.

Однак протягом XX століття астрофізики поступово дійшли висновку, що в видимих ​​і звичних образах галактик міститься не більше 10% від реально міститься у Всесвіті матерії. Приблизно на 90% Всесвіт складається з матерії, форма якої залишається для нас таємницею, оскільки спостерігати її ми не можемо, і за сукупністю вся ця темна матерія отримала назву темної матерії. (Іноді ще говорять про брак, але цей термін не можна назвати вдалим, оскільки в такій термінології її краще було б, ймовірно, назвати надмірною.) Вперше таємні одкровення подібного роду в далекому 1933 озвучив швейцарський астроном Фріц Цвікі (Fritz Zwicky, 1898-1974). Саме він зазначив, що скупчення галактик у сузір'ї Волосся Вероніки, судячи з усього, утримується разом набагато сильнішим гравітаційним полем, ніж це можна було б припустити, виходячи з видимої маси речовини, що міститься в цьому галактичному скупченні, а значить більша частина матерії, що міститься у цій галузі Всесвіту, залишається незримою для нас.

У 1970-і роки Віра Рубін, наукова співробітниця Інституту Карнегі (Вашингтон), вивчала динаміку галактик, що характеризуються високою швидкістю обертання навколо їхнього центру, насамперед, поведінка речовини на їх периферії. За всіма параметрами на периферію галактик, що швидко обертаються, повинні були — за принципом центрифуги — викидатися значні маси найлегшого міжзоряного газу, а саме, водню, атоми якого теоретично мали б огортати галактику павутинням мікроскопічних супутників. Розглянемо, як приклад, нашу Сонячну систему. Її основна маса зосереджена у центрі (на Сонці); що далі планета віддалена від центру, то довше період її звернення навколо нього. Юпітеру, наприклад, потрібно одинадцять земних років, щоб зробити повний річний оборот навколо Сонця, оскільки він знаходиться на значно більш віддаленій від Сонця орбіті і за один річний цикл проходить не тільки більш довгий шлях, але й рухається повільніше ( див.Закони Кеплера). Аналогічним чином, якби вся речовина спіральної галактики була сконцентрована в її рукавах, де ми спостерігаємо видимі зірки, то й атоми розпорошеного водню, підкоряючись третьому закону Кеплера, рухалися б повільніше в міру віддалення від центру галактичної маси. Рубін, однак, вдалося експериментально з'ясувати, що на будь-якому віддаленні від центру галактики водень рухається з незмінною швидкістю. Можна подумати, ніби він «приклеєний» до гігантської сфери, що обертається, що складається з якоїсь невидимої матерії.

Тепер ми знаємо, що темна матерія незримо присутня у межах галактик, а й у всьому Всесвіту, включаючи міжгалактичний простір. Про що ми, однак, так і не маємо жодного уявлення, то це про неї природі.Якась її частина може виявитися звичайними небесними тілами, які не випромінюють власного випромінювання, наприклад, масивними планетами типу Юпітера. Їхнє існування підтверджується результатами спостереження за світністю зірок найближчих галактик, де іноді відзначаються «провали», які можна віднести на рахунок їхнього часткового затемнення при проходженні великих планет на шляху променів дорогою до нас. Практично, можна вважати підтвердженим і існування міжзоряних тінь, що затьмарюють, не володіють власною енергією випромінювання в діапазоні, що спостерігається, — вони отримали назву «масивних компактних гало-об'єктів».

Однак переважна більшість вчених сходиться на тому, що маса невидимої матерії Всесвіту далеко не обмежується прихованою від нас масою звичайних небесних тіл і розпорошеної речовини, а схильні додавати до неї і сукупну масу все ще не відкритих видів елементарних частинок. Їх прийнято називати масивними частинками слабкої взаємодії (МНСВ).Вони не проявляють себе у взаємодії зі світловим та іншим електромагнітним випромінюванням. Їхній пошук сьогодні — це своєрідне відновлення, що здавалося б давно втратив актуальність пошуку «світлоносного ефіру» ( див.Досвід Майкельсон-Морлі). Ідея полягає в тому, що якщо наша Галактика дійсно з усіх боків одягнена сферичною оболонкою МНСВ, Земля, в силу свого руху, повинна постійно перебувати під впливом «вітру прихованих частинок», що пронизують її аналогічно тому, як навіть у безвітряну погоду автомобіль обдувається зустрічними повітряними потоками. Рано чи пізно одна з частинок такого «темного вітру» вступить у взаємодію з одним із земних атомів і порушить коливання, необхідні для її реєстрації надчутливим приладом, в якому він спочиває. Лабораторії, що проводять подібні експерименти, вже повідомляють про те, що отримані перші натяки на підтвердження реального існування шестимісячного напівперіоду коливання частоти реєстрації сигналів про аномальні події подібного ряду, а саме цього і слід очікувати, оскільки півроку Земля рухається по навколосонячній орбіті назустріч а наступні півроку вітер дме «навздогін» і частки залітають на Землю рідше.

МНСВ є прикладом того, що прийнято називати холодною темною матерією,оскільки вони важкі та повільні. Передбачається, що вони грали важливу роль на стадії формування галактик раннього Всесвіту. Деякі вчені вважають також, що, принаймні, частина темної матерії перебуває у стані швидких слабовзаємодіючих частинок, таких як нейтрино, що є прикладом гаряча темна матерія.Головна проблема тут у тому, що до формування атомів, тобто протягом приблизно перших 300 000 років після великого вибуху, Всесвіт перебував у протоплазмовому стані. Будь-яке ядро ​​звичної нам матерії розпадалося, не встигнувши сформуватися, під потужними енергіями бомбардування з боку перегрітих частинок розпеченої, надщільної, непрозорої плазми. Після того, як Всесвіт розширився до певної міри прозорості простору, що розділяє речовину, почали, нарешті, формуватися легкі атомні ядра. Але, на жаль, до цього моменту Всесвіт розширився вже настільки, що сили гравітаційного тяжіння не моглипротидіяти кінетичній енергії розльоту уламків великого вибуху, і вся речовина, за ідеєю, мала б розлетітися, не давши сформуватися стійким галактикам, які ми спостерігаємо. У цьому був так званий галактичний парадоксщо ставив під сумнів саму теорію Великого вибуху.

Однак, якщо у всьому просторі об'ємного великого вибуху звичайна матерія була перемішана з прихованими частинками темної матерії, після вибуху темна матерія, перемішана з явною, якраз і могла послужити тим самим стримуючим елементом. Через наявність величезної кількості прихованих важких частинок вона першою стягнулася під впливом сил гравітаційного тяжіння у майбутні ядра галактик, які виявилися стабільними через відсутність взаємодії між МНСВ і потужним доцентровим енергетичним випромінюванням вибуху. Таким чином, до моменту формування ядер атомів темна матерія встигла оформитися в галактики і скупчення галактик, а вже на них почали збиратися під впливом гравітаційного поля елементи звичайної матерії, що вивільняються. У рамках такої моделі звичайна матерія стягнулася до згустків темної матерії подібно до сухого листя, що затягується у вир на темній поверхні швидкої річки. Є про що задуматися, чи не так? Не тільки ми, але і вся наша галактика, і весь видимий матеріальний світ можуть виявитися лише піною на поверхні дивної вселенської гри в хованки.

Vera Cooper Rubin, нар. 1928

Американський астроном. Народилася у Філадельфії. Освіту та докторський ступінь здобула в Університеті м. Джорджтаун (штат Вашингтон, США). З 1954 року працює в Інституті Карнегі, Вашингтон, займаючись вивченням будови галактик, насамперед, спіральних, і, особливо, будовою та рухом їхніх рукавів. Саме вона відкрила, що швидкість обертання протяжних газових хмар у рукавах спіральних галактик не зменшується в міру віддалення від центру, а навпаки, зростає, і це дає нам перше переконливе підтвердження існування темної матерії в окремо взятих галактиках.

Теоретична конструкція у фізиці, звана Стандартною моделлю, описує взаємодії всіх відомих науці елементарних частинок. Але це всього 5% існуючої у Всесвіті речовини, решта ж 95% мають зовсім невідому природу. Що є ця гіпотетична темна матерія і як вчені намагаються її виявити? Про це в рамках спецпроекту розповідає Айк Акопян, студент МФТІ та співробітник кафедри фізики та астрофізики.

Стандартна модель елементарних частинок, остаточно підтверджена після виявлення бозона Хіггса, описує фундаментальні взаємодії (електрослабке та сильне) відомих нам звичайних частинок: лептонів, кварків та переносників взаємодії (бозонів та глюонів). Однак виявляється, що вся ця величезна складна теорія визначає лише близько 5-6% всієї матерії, тоді як решта цієї моделі ніяк не вписується. Спостереження ранніх моментів життя нашого Всесвіту показують нам, що приблизно 95% матерії, що оточує нас, має зовсім невідому природу. Іншими словами, ми опосередковано бачимо присутність цієї прихованої матерії через її гравітаційний вплив, проте прямо зловити її поки що не вдавалося. Це прихованої маси отримало кодову назву «темна матерія».

Сучасна наука, особливо космологія, працює за дедуктивним методом Шерлока Холмса

Зараз основним кандидатом із групи WISP є аксіон, що виникає в теорії сильної взаємодії і має дуже малу масу. Така частка здатна у великих магнітних полях перетворюватися на фотон-фотонну пару, що дає натяки на те, як можна спробувати її виявити. В експерименті ADMX використовують великі камери, де створюється магнітне поле в 80 000 гаус (це в 100 000 разів більше магнітного поля Землі). Таке поле теоретично має стимулювати розпад аксіону на фотон-фотонную пару, що й повинні зловити детектори. Незважаючи на численні спроби поки виявити WIMP, аксіони або стерильні нейтрино не вдалося.

Таким чином, ми подорожували через величезну кількість різних гіпотез, які прагнуть пояснити дивну наявність прихованої маси, і, відкинувши за допомогою спостережень все неможливе, дійшли кількох можливих гіпотез, з якими можна працювати.

Негативний результат у науці - це теж результат, тому що він дає обмеження на різні параметри частинок, наприклад, відсіює діапазон можливих мас. З року в рік нові і нові спостереження та експерименти в прискорювачах дають нові, суворіші обмеження на масу та інші параметри частинок темної матерії. Таким чином, викидаючи всі неможливі варіанти і звужуючи коло пошуків, ми з кожним днем ​​стаємо все ближче до розумію, з чого все-таки складається 95% матерії в нашому Всесвіті.