Темная материя

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. В День темной материи, который отмечается 31 октября (физики решили, что канун Хеллоуина — как раз подходящее время, чтобы устроить праздник в честь темной и неуловимой субстанции), N + 1 расспросил заведующего отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра ФИАН Андрея Дорошкевича о том, что такое темная материя и почему она так важна.

N + 1: Насколько ученые уверены сегодня, что темная материя действительно существует?

Андрей Дорошкевич: 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.

Распределение вещества во Вселенной (слева направо) до и после появления данных телескопа «Планк»

Поделиться

Ученые предпринимали множество попыток избавиться от невидимой и неощущаемой темной материи, создавались теории модифицированной гравитации, например MOND, которые пытаются объяснить наблюдаемые эффекты. Почему модели с темной материей предпочтительнее?

Ситуация очень простая: современная эйнштейновская теория гравитации хорошо выполняется на земных масштабах, спутники летают в строгом соответствии с этой теорией. И она очень хорошо выполняется на космологических масштабах. А все современные модели, которые изменяют гравитацию, не могут объяснить все. Они вносят новые постоянные в закон Ньютона, что позволяет объяснить эффекты присутствия темной материи на уровне галактик, но промахиваются на космологическом масштабе.

А может ли тут помочь открытие гравитационных волн? Может быть, оно поможет отбросить какие-то из теорий?

То, что сейчас измерили гравитационные волны — это громадный технический, а не научный успех. То, что они существуют, было известно 40 лет назад, когда было обнаружено (косвенно) гравитационное излучение от двойного пульсара. Наблюдения гравитационных волн еще раз подтвердили существование черных дыр, хотя мы в этом и раньше не сомневались, но теперь у нас тут есть более или менее прямое свидетельство.

Форма эффекта, изменения гравитационных волн в зависимости от мощности, могут нам дать очень полезную информацию, но нужно ждать еще лет пять-десять, пока у нас накопится достаточно данных для уточнения теорий гравитации.

Как ученые узнали о темной материи

История темной материи началась в 1933 году, когда астроном Фриц Цвикки исследовал распределение скоростей галактик в скоплении, расположенном в созвездии Волосы Вероники. Он обнаружил, что галактики в скоплении двигаются слишком быстро, и если принимать во внимание только видимое вещество, скопление не могло бы быть стабильным — галактики просто разбросало бы в разные стороны.
В статье, опубликованной 16 февраля 1933 года, Цвикки предположил, что их удерживает вместе невидимое тяготеющее вещество — Dunkle Materie.
Чуть позже несоответствие между «видимой» массой галактик и параметрами их движения подтвердили и другие астрономы.
В 1958 году советский астрофизик Виктор Амбарцумян предложил свое решение парадокса Цвикки. По его мнению, скопления галактик не содержат никакой невидимой материи, которая бы удерживала их гравитационно. Мы просто наблюдаем скопления в процессе распада. Однако большинство астрономов не приняло это объяснение, поскольку в этом случае срок жизни скоплений составлял бы не более одного миллиарда лет, а учитывая, что срок существования Вселенной в десять раз больше, к сегодняшнему дню скоплений просто бы не осталось. Поделиться

Общепринятые представления о темной материи гласят, что она состоит из вимпов (WIMP), массивных частиц, почти не взаимодействующих с частицами обычной материи. Что можно сказать об их свойствах?

У них достаточно большая масса — и это почти все, даже точную массу мы назвать не можем. Они без столкновений пробегают большие расстояния, но возмущения плотности в них не затухают даже на сравнительно малых масштабах — и это единственное, что нам нужно сегодня для моделей.

Реликтовое излучение дает нам характеристики темной материи для больших масштабов, для масштабов скоплений галактик. Но чтобы «спуститься» на масштабы малых галактик, мы вынуждены пользоваться теоретическими моделями.

Само существование небольших галактик говорит о том, что даже в относительно небольших масштабах существовали неоднородности, возникшие вскоре после Большого взрыва. Такие неоднородности могут затухать, разглаживаться, но мы знаем точно, что они не затухли в масштабах маленьких галактик. Это говорит о том, что эти частицы темной материи должны обладать такими свойствами, чтобы эти возмущения сохранились.

Правильно ли говорить, что звезды могли возникать только благодаря темной материи?

Не совсем. Без темной материи не могли возникнуть галактики, а звезды не могут формироваться вне галактик. В отличие от темной материи, барионы всегда горячие, они взаимодействуют с реликтовым излучением. Поэтому самостоятельно они не могут собираться в звезды, гравитация барионов звездной массы не может преодолеть их давление.

Частицы темной материи действуют как невидимый цемент, который стягивает барионы в галактики, а затем уже в них начинается процесс образования звезд. Темной материи в шесть раз больше, чем барионов, она «руководит», а барионы только за ней тянутся.

Ксеноновый детектор частиц темной материи XENON1T

Коллаборация Xenon100

Поделиться

А много ли темной материи вокруг нас?

Она есть везде, вопрос только в том, сколько ее. Считается, что в нашей Галактике масса темной материи — несколько менее 10 процентов.

Но уже в окрестностях Галактики темной материи больше, мы можем видеть признаки присутствия ореола из темной материи вокруг как нашей, так и других звездных систем. Конечно, мы видим его благодаря барионам, мы их наблюдаем, и понимаем, что они «держатся» там только благодаря присутствию темной материи.

Как ученые ищут темную материю

С конца 80-х годов физики проводят эксперименты на установках глубоко под землей в попытках уловить столкновения отдельных частиц темной материи. За прошедшие 15 лет коллективная чувствительность этих экспериментов росла экспоненциально, удваиваясь в среднем каждый год. Две крупные коллаборации, XENON и PandaX-II, недавно запустили новые, еще более чувствительные детекторы.
Первая из них построила самый большой в мире детектор темной материи XENON1T. В нем используется 2000-килограммовая мишень из жидкого ксенона, помещенная в бак с водой высотой 10 метров. Все это находится под землей на глубине в 1,4 километра в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Италия). Установка PandaX-II погребена на глубине 2,4 километра в китайской провинции Сычуань и содержит 584 килограмм жидкого ксенона.
Оба эксперимента используют ксенон, потому что он крайне инертен, а это помогает удерживать низкий уровень шума. Кроме того, ядра атомов ксенона относительно тяжелы (содержат в среднем 131 нуклон на ядро), что дает «бóльшую» мишень для частиц темной материи. Если одна из таких частиц столкнется с ядром атома ксенона, это породит слабую, но уловимую вспышку света (сцинтилляцию) и образование электрического заряда. Наблюдение даже небольшого числа таких событий может дать нам важные данные о природе темной материи.
Пока ни этим, ни каким либо другим экспериментам не удалось обнаружить частиц темной материи, но и это молчание может быть использовано для того, чтобы установить верхний предел вероятности столкновений частиц темной материи с частицами обычной. Поделиться

Частицы темной материи могут образовывать скопления, как частицы обычной материи?

Могут, но весь вопрос в том, какой плотности. С точки зрения астрофизики и галактики — плотные объекты, их плотность составляет порядка одного протона на кубический сантиметр, и звезды — плотные объекты, с плотностью порядка грамма на кубический сантиметр. Но между ними 24 порядка разницы. Как правило, облака из темной материи имеют «галактическую» плотность.

Есть ли шансы у многочисленных ядерно-физических экспериментов по поиску частиц темной материи?

Они пытаются поймать взаимодействия отдельных частиц темной материи с атомами обычного вещества, как это делают с нейтрино. Но их поймать очень непросто, и не факт, что это вообще возможно.

Телескоп CAST (CERN Axion Solar Telescope) в ЦЕРНе ищет гипотетические частицы — аксионы, из которых может состоять темная материя.

Может быть, темная материя вообще состоит из так называемых «зеркальных» частиц, которые в принципе возможно наблюдать только по их гравитации. Гипотеза второй «зеркальной» Вселенной была предложена полвека назад, это своего рода удвоение реальности.

Реальные наблюдения у нас есть только из космологии.

Беседовал Сергей Кузнецов

Объекты глубокого космоса > Темная материя и темная энергия

Что такое темная материя и темная энергия Вселенной: структура пространства с фото, объем в процентах, влияние на объекты, исследование, расширение Вселенной.

Около 80% пространства представлено материалом, который скрыт от прямого наблюдения. Речь идет о темной материи – вещество, которое не производит энергию и свет. Как же исследователи поняли, что оно доминирует?

В 1950-х годах ученые начали активно заниматься изучением других галактик. В ходе анализов заметили, что Вселенная наполнена большим количеством материала, чем удается уловить на «видимый глаз». Сторонники темной материи появлялись каждый день. Хотя прямых доказательств ее наличия не было, но теории росли, как и обходные пути наблюдения.

Видимый нами материал называют барионной материей. Она представлена протонами, нейтронами и электронами. Полагают, что темная материя способна совмещать в себе барионную и небарионную материю. Чтобы Вселенная оставалась в привычной целостности, темная материя обязана находиться в количестве 80%.

Неуловимое вещество может быть невероятно сложным для поисков, если вмещает барионное вещество. Среди претендентов называют коричневых и белых карликов, а также нейтронные звезды. Разницу могут прибавлять и сверхмассивные черные дыры. Но они должны были вносить больше влияния чем то, что видели ученые. Есть и те, кто думает, что темная материя должна состоять из чего-то более непривычного и редкого.

Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024+17

Большая часть научного мира полагает, что неизвестное вещество представлено в основном небарионной материей. Наиболее популярный кандидат – WIMPS (слабо контактирующие массивные частицы), чья масса в 10-100 раз превосходит показатели протона. Но их взаимодействие с обычной материей слишком слабое, из-за чего сложнее находить.

Сейчас очень внимательно рассматривают и нейтралино – массивные гипотетические частички, превосходящие по массе нейтрино, но отличаются медлительностью. Их пока не нашли. В качестве возможных вариантов также учитывают меньшую нейтральную аксиому и нетронутые фотоны.

Еще один вариант – устаревшие знания о гравитации, которые требуют обновления.

Невидимая темная материя и темная энергия

Но, если мы чего-то не видим, как доказать, что оно существует? И с чего мы решили, что темная материя и темная энергия — это нечто реальное?

Масса крупных объектов вычисляется по их пространственному перемещению. В 50-х годах исследователи, рассматривавшие галактики спирального типа, предполагали, что приближенный к центру материал будет двигаться намного быстрее удаленного. Но выяснилось, что звезды перемещались с одинаковой скоростью, а значит, было намного больше массы, чем думали ранее. Изученный газ в эллиптических типах показал те же результаты. Напрашивался один и тот же вывод: если ориентироваться только на видимую массу, то галактические скопления давно бы разрушились.

Модель распределения темной материи во Вселенной 13.6 миллиардов лет назад.

Альберт Эйнштейн смог доказать, что крупные вселенские объекты способны изгибать и искажать световые лучи. Это позволило использовать их как естественную увеличительную линзу. Исследуя этот процесс, ученым удалось создать карту темной материи.

Получается, что большая часть нашего мира представлена все еще неуловимым веществом. Вы узнаете больше интересного о темной материи, если посмотрите видео.

Темная материя

Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи:

Темная материя и темная энергия: разъяснения загадки

Мы знаем, что Вселенная, по большей части, представлена темной энергией. Это загадочная сила, которая приводит к тому, что пространство увеличивает скорость расширения Вселенной. Еще одним таинственным компонентом выступает темная материя, поддерживающая контакт с объектами только при помощи гравитации.

Ученые не могут разглядеть темную материю в прямом наблюдении, но эффекты доступны для изучения. Им удается уловить свет, изогнутый гравитационной силой невидимых объектов (гравитационное линзирование). Также замечают моменты, когда звезда совершает обороты вокруг галактики намного быстрее, чем должна.

Все это объясняется наличием огромного количества неуловимого вещества, воздействующего на массу и скорость. На самом деле, это вещество покрыто тайнами. Получается, что исследователи скорее могут сказать не, что перед ними, а чем «оно» не является.

На этом коллаже показаны изображения шести разных галактических скоплений, сделанные при помощи космического телескопа НАСА Хаббл. Кластеры были обнаружены во время попыток исследовать поведение темной материи в галактических скоплениях при их столкновении

Темная материя… темная. Она не производит свет и не наблюдается в прямой обзор. Следовательно, исключаем звезды и планеты.

Она не выступает облаком обычной материи (такие частички называют барионами). Если бы барионы присутствовали в темной материи, то она проявилась бы в прямом наблюдении.

Исключаем также черные дыры, потому что они выступают гравитационными линзами, излучающими свет. Ученые не наблюдают достаточного количества событий линзирования, чтобы вычислить объем темной материи, которая должна присутствовать.

Хотя Вселенная – огромнейшее место, но началось все с наименьших структур. Полагают, что темная материя приступила к конденсации, чтобы создать «строительные блоки» с нормальной материей, произведя первые галактики и скопления.

Чтобы отыскать темную материю, ученые применяют различные методы:

  • Большой адронный коллайдер.
  • инструменты, вроде WNAP и космическая обсерватория Планка.
  • эксперименты прямого обзора: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
  • косвенное обнаружение: детекторы гамма-лучей (Ферми), нейтринные телескопы (IceCube), детекторы антивещества (PAMELA), рентгеновские и радиодатчики.

Методы поиска темной материи

Физик Антон Баушев о слабых взаимодействиях между частицами, радиоактивности и поиске следов аннигиляции:

Углубляемся в тайну темной материи и темной энергии

Еще ни раз ученые не смогли в буквальном смысле увидеть темную материю, потому что она не контактирует с барионной, а значит, остается неуловимой для света и прочих разновидностей электромагнитного излучения. Но исследователи уверены в ее присутствии, так как наблюдают за воздействием на галактики и скопления.

Стандартная физика говорит, что звезды, расположенные на краях галактики спирального типа, должны замедлять скорость. Но выходит так, что появляются звезды, чья скорость не подчиняется принципу расположения по отношению к центру. Это можно объяснить лишь тем, что звезды ощущают влияние от невидимой темной материи в ореоле вокруг галактики.

Наличие темной материи также способно расшифровать некоторые иллюзии, наблюдаемые во вселенских глубинах. Например, присутствие в галактиках странных колец и световых дуг. То есть, свет от отдаленных галактик проходит сквозь искажение и усиливается невидимым слоем темной материи (гравитационное линзирование).

Пока у нас есть несколько идей о том, что собою представляет темная материя. Главная мысль – это экзотические частицы, не контактирующие с обычной материей и светом, но имеющие власть в гравитационном смысле. Сейчас несколько групп (одни используют Большой адронный коллайдер) работают над созданием частиц темной материи, чтобы изучить их в лабораторных условиях.

Другие думают, что влияние можно объяснить фундаментальной модификацией гравитационной теории. Тогда получаем несколько форм гравитации, что существенно отличается от привычной картины и установленных физикой законов.

Расширяющаяся Вселенная и темная энергия

Ситуация с темной энергией еще более запутанная и само открытие в 1990-х годах стало непредсказуемым. Физики всегда думали, что сила притяжения работает на замедление и однажды может приостановить процесс вселенского расширения. За измерение скорости взялось сразу две команды и обе, к своему удивлению, выявили ускорение. Это словно вы подбрасываете яблоко в воздух и знаете, что оно обязано упасть вниз, а оно удаляется от вас все дальше.

Стало ясно, что на ускорение влияет некая сила. Более того, кажется, чем шире Вселенная, тем больше «власти» получает эта сила. Ученые решили обозначить ее темной энергией.

Если темную материю можно хоть как-то объяснить, то по поводу темной энергии нет вообще ничего. Некоторые правда полагают, что это пятая фундаментальная сила – квинтэссенция.

Однако, известные свойства темной энергии согласуются с космологической константой, созданной Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности. Константа выступает отталкивающей силой, противодействующей гравитации и удерживающей пространство от разрушения. Позже Эйнштейн отказался от нее, потому что наблюдения выявили процесс расширения Вселенной (она рассчитывалась для статичной).

Но, если сейчас добавить темную энергию в качестве константы для ускорения расширения Вселенной, то может объяснить этот процесс. Но все это так и не дает понимания того, почему эта странная сила вообще существует.

Виды материи в современной Вселенной

Физик Алексей Старобинский о теориях, различающих темную материю и темную энергию, и современных исследованиях Вселенной: