Одной из важнейших проблем современной науки является изучение и объяснение тёмной энергии и тёмной материи, составляющих львиную долю массы всей Вселенной. Представляем Вашему вниманию самые интересные факты и предположения о природе этой таинственной субстанции.
Открытие понятия тёмной материи
Понятие «тёмная материя» сформировалось в первой половине XX века, первые упоминания о так называемой «скрытой материи» появились ещё в 1920-х годах. Сам термин получил широкое распространение благодаря опубликованным в 1933 году научным трудам американо-швейцарского астронома Фрица Цвикки. В своей работе он рассчитал, что масса всех известных человечеству звёзд в скоплении галактик Кома составляет немногим более 1% всей массы, необходимой для удержания галактик от покидания скопления под воздействием собственной гравитации. Это открытие заставило учёных предположить вероятность наличия в космосе огромной массы невидимого вещества.
Существование таинственной скрытой материи оставалось спорным предположением на протяжении десятков лет. В 1970-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд доказали, что тёмная материя реальна, описав схожий феномен: масса звёзд в более изученной галактике составила около 10% от массы, необходимой для сохранения целостности этой галактики. С помощью чувствительного спектрографа учёные сумели измерить угловую скорость движения звёзд по орбитам спиральной галактики. Практически одинаковая скорость движения звёзд привела их к мысли, что плотность вещества одинакова и в регионах с большим скоплением звёзд, и на краю диска системы.
С момента доказания существования тёмной материи специалисты научились обнаруживать участки этого вещества в галактиках при помощи феномена гравитационного линзирования. Гравитационная сила скопления «скрытой материи» действует как линза, которая отклоняет лучи света, образуя различные визуальные искажения вроде эйнштейновского кольца, дуги или размноженного изображения. Кроме того, учёные приловчились различать эффект линзирования, происходящий из-за тёмной материи и других факторов (например, движения, температуры или газа). Одним из самых впечатляющих образцов гравитационного явления в результате сразу нескольких факторов является скопление галактик Пуля. Оно представляет собой столкновение двух скоплений, в котором потоки горячих газов существенно замедляются из-за коллизии со встречным потоком. При этом, несмотря на столь стремительно перераспределение газов, общая масса скоплений практически не меняется, что свидетельствует о наличие в системе тёмной материи.
Предположения о сущности тёмной материи
По разным данным, тёмная материя занимает около 27% общей массы Вселенной. Не более 5% приходится на «обычную материю», к которой относится межгалактический газ и всевозможные небесные тела. При этом звёзды, планеты и пр. объекты занимают не более 0,5% массы, из которых всего 0,03% веществ тяжелее водорода. Вся оставшаяся масса приходится на гипотетическую тёмную энергию, которая также является предметом ожесточённых споров среди учёных.
Наиболее естественным считается предположение о барионной природе тёмной материи. Барионное вещество – это хорошо знакомые нам элементарные частицы – протоны и нейтроны, которые составляют ядро всех атомов и взаимодействуют с другими частицами. Согласно барионной теории, барионы в составе тёмной материи по какой-то причине слабо взаимодействует с остальными элементарными частицами. Потому их невозможно обнаружить стандартными методами, используемыми в астрономии, в частности, при исследовании излучения и поглощения света. Большинство учёных согласны, что барионы имеют место в составе тёмной материи, но они представляют лишь малую доли её сущности.
Сегодня в научном сообществе принято считать, что большая часть «скрытой материи» представлена небарионным веществом. Исходя из того, как галактики или скопления галактик образовывались во Вселенной в местах более высокой плотности материи, можно сделать вывод, что небарионная тёмная материя является относительно холодной, тяжёлой и малоподвижной. Если бы данное вещество было горячим, то ему хватило бы энергии для разглаживания неоднородностей в «обычной» материи.
Кроме того, частицы тёмной материи являются электромагнитно нейтральными, то есть они практически не взаимодействуют между собой: не нагреваются, не замедляются и не излучают свет. Согласно этим наблюдениям, одним из кандидатов на роль доминантных частиц тёмной материи являются так называемые вимпы – от англоязычной аббревиатуры WIMP – weakly interacting massive particle. К сожалению, их природа по сей день остаётся неизвестной, так как их существование не было предсказано стандартной моделью физики элементарных частиц. Однако некоторые дополнения к модели вроде теории суперсимметрии предполагают наличие во Вселенной ряда экзотических частиц, которые могли бы подойти под описание вимпов.
Исходя из того, что наиболее вероятный кандидат роль составного элемента тёмной материи должен быть массивной, нейтральной и относительно стабильной частицей, в её состав могут входить и стерильные нейтрино. Явное преимущество нейтринной теории заключается в том, что их существование уже доказано. Стерильные или тяжёлые нейтрино проявляют лишь слабое гравитационное взаимодействие с другими частицами и совершенно «игнорируют» электромагнитное.
На открытие и изучение поведения всех предполагаемых кандидатов на роль доминантной составляющей тёмной материи тратятся немалые усилия и средства. Учёные надеются, что однажды им удастся обнаружить и измерить свойства невиданных частиц не при наблюдении далёкого космоса, а в лабораторных условиях. Одним из важнейших инструментов экспериментальной физики являются ускорители заряжённых частиц, например, Большой адронный коллайдер Европейского центра ядерных исследований. Внутри этого гигантского сооружения специальные приспособления разгоняют встречные пучки частиц практически до скорости света в вакууме и заставляют их сталкиваться, регистрируя происходящее при помощи детекторов частиц. В частности, детекторы ATLAS и CMS используют для поиска экзотических частиц вроде бозона Хиггса.
В 1980-х годах некоторые учёные предположили, что никакой тёмной материи и энергии на самом деле не существует. Для объяснения наблюдаемых явлений была предложена альтернативная теория гравитации – Модифицированная ньютоновская динамика или MOND. Согласно этой теории, классический закон тяготения Ньютона распространяется далеко не на все спиральные галактики. В одной из своих работ израильский физик Мордехай Милгром писал, что формулы Ньютона не универсальны и не подходят для описания тех галактик, в которых звёзды движутся с очень малыми ускорениями. Предполагаемые изменения в законе тяготения могут объяснять вращение «неправильных» галактик, в которых звёзды сохраняют одинаковую скорость движения вне зависимости от расстояния до её центра. За 40 лет учёным не удалось ни основательно подтвердить правдивость данной теории, ни опровергнуть её. Потому как теория Милгрома, так и природа тёмной материи остаются одними из множества нерешённых проблем современной физики.
