Просто о сложном: что такое темная материя и где ее искать. Темная материя

На сегодняшний день загадка о том, откуда появилось темное вещество так и не разгадана. Есть теории, которые предполагают, что оно состоит из межзвездного газа низкой температуры. При этом вещество не может давать какое-либо излучение. Однако существуют теории, направленные против этой идеи. Они говорят о том, что газ способен разогреваться, что приводит к тому, что они становятся обычными «барионными» веществами. В пользу этой теории свидетельствует то, что масса газа в холодном состоянии не может устранить дефицит, который возникает при этом.

В теориях о темном веществе столько вопросов, что стоит разобраться в этом чуть подробнее.

Чем является темное вещество?

Вопрос о том, что же такое темное вещество, появился примерно 80 лет назад. Еще в начале 20 века. В то время астроному из Швейцарии Ф. Цвикки пришла в голову идея о том, что масса всех галактик в реальности больше, чем масса всех тех объектов, которые можно увидеть собственными газами в телескоп. Все многочисленные подсказки намекали на то, что в космосе существует нечто неведомое, что обладает внушительной массой. Этой необъяснимой субстанции было решено дать название «темное вещество».

Это невидимое вещество занимает не менее четверти от всей Вселенной. Особенность этого вещества в том, что его частицы плохо вступают во взаимодействие между собой и с обычным другим веществом. Это взаимодействие настолько слабое, что ученые не могут даже зафиксировать это. По факту есть только признаки влияния от частиц.

Изучение этого вопроса ведется самыми большими умами по всему миру, поэтому даже самые большие скептики в мире считают, что получится уловить частицы вещества. Самая желаемая цель – сделать это в условиях лаборатории. В шахтах на большой глубине ведутся работы, такие условия для экспериментов необходимы, чтобы исключить помехи, которые оказывают частицы лучей из космоса.

Есть вероятность, что много новой информации удастся получить благодаря современным ускорителям, в частности, с помощью Большого адронного коллайдера.

Частицы темного вещества имеют одну странную особенность - взаимоуничтожение. В результате таких процессов появляется гамма-излучение, античастицы и частицы (такие как электрон и позитрон). Поэтому астрофизики делают попытки найти следы гамма-излучения или античастиц. Для этого используются различные наземные и космические установки.

Доказательства существования темного вещества

Самыми первыми сомнениями в правильности расчетов массы Вселенной, как уже говорилось, поделился астроном из Швейцарии Ф. Цвикки. Для начала он решил измерить скорость галактик из скопления Волос Вероники двигавшихся вокруг центра. И результат его работ несколько озадачил его, потому что скорость движения этих галактик оказалась выше, чем он предполагал. Кроме того, он предварительно рассчитал это значение. Но результаты не совпали.

Вывод был очевиден: реальная масса скопления была гораздо больше, чем видимая. Это могло объясниться тем, что большая часть вещества, которое есть в этой части Вселенной, не может быть видима, а также за ней невозможно понаблюдать. Это вещество проявляет свои свойство только в виде массы.

Ряд гравитационных экспериментов подтвердил присутствие невидимой массы в галактических скоплениях. В теории относительности есть некоторое толкование этого явления. Если ей следовать, то каждая масса способна к деформированию пространства, кроме того, словно линза она искривляет прямой поток световых лучей. Галактическое скопление вызывает искажение, его влияние настолько сильно, что становится заметным. Сильнее всего искажается вид галактики, которая располагается непосредственно за скоплением. По этому искажению и рассчитывается то, как распределилось вещество в этом скоплении. Так и измеряют реальную массу. Она неизменно оказывается больше в несколько раз, чем масса видимой материи.

Спустя четыре десятилетия после работ первопроходца в этой сфере Ф. Цвикки этим вопросом занялась астроном из Америки В. Рубин. Она изучала скорость, с которой вращается вокруг центра галактики вещество, которое располагается по краям галактик. Если следовать законам Кеплера, касающимся законов тяготения, то существует определенная зависимость между скоростью вращения галактик и расстоянием до центра.

Но в реальности измерения показывали, что скорость вращения не менялась с увеличением расстояния до центра. Такие данные можно было объяснить только одним путем – вещество галактики имеет одинаковую плотность как в центре, так и по краям. Но видимое вещество имело гораздо большую плотность в центре и характеризовалось разреженностью по краям, а недостаток плотности мог быть объяснен только наличием какого-то вещества, которое не видно глазу.

Чтобы дать объяснение явлению, нужно, чтобы этого самого невидимого вещества в галактиках было почти в 10 раз больше, нежели того вещества, которое мы можем увидеть. Вот это неведомое вещество и получило название «темное вещество», или «темная материя». На сегодняшний день для астрофизиков это явление так и остается самой интересной загадкой.

Есть еще один довод в пользу доказательств существования темного вещества. Он следует из расчетов, которые описывают процесс того, как формировались галактики. Считается, что началось это примерно через 300.000 лет после того, как произошел Большой взрыв . Результаты расчетов говорят, что притяжение между осколками материи, которая появилась при взрыве, не могло бы компенсировать кинетическую энергию от разлета. То есть вещество не могло сконцентрироваться в галактиках, однако мы можем видеть это сегодня.

Этот необъяснимый факт называют парадоксом галактики, его приводили как довод, разрушающий теорию Большого взрыва. Но можно посмотреть на это с другой стороны. Ведь частицы самого обычного вещества могли быть смешаны с частицами темного вещества. Тогда расчеты становятся верными, а то, как сформировались галактики, в которых скопилось много темного вещества, а к ним уже присоединились частицы обычного вещества за счет гравитации. Ведь обычное вещество составляет малую долю от всей массы Вселенной.

Видимое вещество имеет плотность относительно низкую по сравнению с темным веществом, потому что оно плотнее в 20 раз. Поэтому те 95% массы Вселенной, которых не достает по расчетам ученых – это и есть темное вещество.

Однако это приводило к выводу, что весь видимый мир, который был изучен вдоль и поперек, такой привычный и понятный, лишь небольшое приложение к тому, из чего реально складывается .

Все галактики, планеты и звезды – это просто маленький кусочек того, о чем мы не имеем понятия. Это то, что выставлено напоказ, а реальное от нас скрыто.

Группа учёных из Кембриджского института астрономии впервые представила анализ физических характеристик тёмной материи. Они провели наблюдения за 12 карликовыми галактиками, которые окаймляют наш собственный Млечный путь.
Используя самые большие телескопы, группа составила детальные трёхмерные карты этих галактик, изучив движение их звёзд, чтобы «проследить» воздействие тёмной материи и попытаться составить представление о ней.

Оказалось, что в этих галактиках тёмной материи в 400 раз больше, чем материи нормальной. Но главное открытие, объявленное в рамках данного исследования, это температура тёмной материи. Астрономы рассчитали, что она нагрета до 10 тысяч градусов. В галактиках темная материя группируется, по выражению авторов исследования, в «волшебный объём» (magic volume): тёмная материя в 30 миллионов масс Солнца занимает пространство с поперечником в тысячу световых лет.

«Вы не можете упаковать это в меньший объём», - говорят исследователи. Ведь, по результатам расчётов, получается, что частицы тёмной материи движутся со скоростью 9 километров в секунду. Англичане сильно удивили коллег - прежние теоретические оценки давали прямо противоположную картину, то есть, холодную тёмную материю, с частицами, движущимися со скоростью несколько миллиметров в секунду.

Интересно, что кроме анализа свойств тёмной материи, наблюдение за галактиками-спутниками позволило астрономам Кембриджа точнее взвесить Млечный путь. Оказалось, он более массивен, чем считалось до сих пор и превосходит по массе Туманность Андромеды.

Если анализ из Кембриджа подтвердится, он окажет огромное влияние на космологию. Наличие более горячей тёмной материи означает, что ей тяжелее формировать маленькие галактики, но она действительно «помогает» создавать большие структуры.

Неравномерность реликтового фона является одной из загадок и одновременно - одним из ключей к пониманию развития Вселенной. Быть может, новые данные позволят и по иному подойти к разгадке пресловутой «Оси зла» (Axis of Evil) - статистической аномалии в микроволновом фоне, оставшемся после Большого взрыва.
«Ось зла» - она потому в глазах учёных такая «злая», что разрушает привычные представления об эволюции Вселенной. Считается, что «ось» отражает неравномерное распределение галактик, которые после Большого взрыва должны были бы разбегаться «во все стороны» равномерно.

У учёных, кроме наблюдения за галактиками, остаётся ещё шанс выяснить свойства тёмной материи в экспериментах на ускорителях. Или даже поймать эти частицы тёмной материи в детекторах, спрятанных в глубоких шахтах.
В то же время, появляются сообщения, согласно которым тёмной материи и вовсе может не быть.
Джоэл Браунштейн (Joel Brownstein) и Джон Моффат (John Moffat) из канадского института теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics) придумали теорию скаляр-тензор-векторной гравитации (scalar-tensor-vector gravity - STVG), добавив квантовые эффекты к общей теории относительности.

Эта новая теория, якобы, прекрасно согласуется с наблюдаемым поведением групп галактик, без необходимости прибегать к «тёмной материи». И даже так называемой «изменённой ньютоновой динамики» - ещё одной современной вариации картины мира, предполагающей существование сразу двух видов гравитации, сила действия одной из которых убывает с квадратом расстояния, а другой - линейна.

У Браунштейна и Моффата ничего этого нет, зато есть гравитоны, которые рождаются из вакуума, причём наиболее интенсивно там, где концентрируются большие массы (в центрах галактик).

То есть, по данной гипотезе, два килограмма массы на расстоянии в метр будут притягиваться друг к другу сильнее, если они находятся вблизи центра галактики; в сравнении с ситуацией, когда те же самые два килограмма парят друг рядом с другом, но - на её окраине.

А как тогда быть с ужасной «осью зла», якобы являющейся следом скрытой силы, деформировавшей Вселенную? Оказывается, и тут есть альтернативное объяснение.

Крис Вале (Chris Vale) из американской лаборатории Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory) и университета Калифорнии (University of California, Berkeley) объясняет аномалию слабым линзированием микроволнового фона.

1314 7
источник: www.vesti.ru

11 февраля представители международного проекта Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO объявили о первой в истории регистрации гравитационных волн .

Считается, что тёмная энергия является движущей силой, которая обеспечивает постоянное расширение Вселенной. В таком случае наблюдение нескольких слияний чёрных дыр может подсказать её природу. Такие параметры сигнала, как частота и амплитуда волн многое говорят об их источнике. А сравнивая мощность столкновения, определённую с помощью обычных телескопов, с силой гравитационных колебаний, измеренных детекторами, можно определить, как далеко произошло событие и насколько расширилось пространство за то время, пока волны летели к Земле.

"Эта мера эффекта, который оказывает тёмная энергия, должна быть сильнее и надёжнее всего, что мы используем в настоящее время, - говорит астрофизик Ави Лёб (Avi Loeb) из Гарвардского университета. - Наблюдения всего за несколькими слияниями чёрных дыр могут изменить всё, а если их будут десятки, это станет новым направлением в космологии".

Открытие гравитационных волн может стать серьёзной проверкой для общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Ведь с их помощью можно подтвердить или опровергнуть основной принцип теории эквивалентности сил гравитации и инерции , из которого следует, что силы гравитационного взаимодействия пропорциональны массе тела и воздействуют на все массы (тела разных масс) одинаково.

Теперь учёные могут определить, как снижается сила гравитационных волн по мере их движения на большие расстояния. И если сила уменьшается не так, как это предсказывают модели, это станет серьёзным вызовом одной из базовых физических теорий.

Ещё одним направлением, в котором наука может продвинуться благодаря последнему открытию, является поиск следов так называемой космической инфляции . Согласно инфляционной космологической модели вскоре после Большого взрыва Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем в стандартноймодели горячей Вселенной .

Если после успеха проекта LIGO по всему миру появятся новые, ещё более чувствительные гравитационные детекторы , они, возможно, смогут зарегистрировать более короткие волны, возникшие в период усиленного расширения молодой Вселенной. Согласно теории, в то время пространство было непроницаемо для света и электромагнитного излучения, поэтому гравитационные колебания могут быть единственными "свидетелями" этого периода.

"Потенциально мы можем проследить почти весь путь до Большого взрыва, - говорит Деян Стойкович (Dejan Stojkovic) из Нью-Йоркского университета. - LIGO не сможет ощутить такие колебания, но теперь, когда мы знаем, что волны существуют, будет намного легче убедить людей вкладывать деньги в создание других видов детекторов".

Наконец, гравитационные волны могут стать долгожданным ключом к Теории Великого объединения , которая предполагает, что на раннем этапе развития Вселенной все четыре фундаментальные силы - гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, были объединены в одну силу. По мере расширения и остывания Вселенной силы разделились по неясным пока причинам. И снова следы этих событий в будущем могут быть найдены с помощью особо чувствительных детекторов.

В любом случае, ближайшее будущее обещает быть интересным. Ведь новые исследования гравитационных волн могут окончательно доказать правильность многих базовых моделей или, наоборот, полностью перевернуть наши представления о Вселенной.

Интересна статья?

11 февраля представители международного проекта Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO объявили о первой в истории .

Если после успеха проекта LIGO по всему миру появятся новые, ещё более чувствительные , они, возможно, смогут зарегистрировать более короткие волны, возникшие в период усиленного расширения молодой Вселенной. Согласно теории, в то время пространство было непроницаемо для света и электромагнитного излучения, поэтому гравитационные колебания могут быть единственными "свидетелями" этого периода.

Теоретическая конструкция в физике, называемая Стандартной моделью, описывает взаимодействия всех известных науке элементарных частиц. Но это всего 5% существующего во Вселенной вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Что представляет из себя эта гипотетическая темная материя и как ученые пытаются ее обнаружить? Об этом в рамках спецпроекта рассказывает Айк Акопян, студент МФТИ и сотрудник кафедры физики и астрофизики.

Стандартная модель элементарных частиц, окончательно подтвержденная после обнаружения бозона Хиггса, описывает фундаментальные взаимодействия (электрослабое и сильное) известных нам обычных частиц: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействия (бозонов и глюонов). Однако оказывается, что вся эта огромная сложная теория описывает лишь около 5–6% всей материи, тогда как остальная часть в эту модель никак не вписывается. Наблюдения самых ранних моментов жизни нашей Вселенной показывают нам, что примерно 95% материи, которая окружает нас, имеет совершенно неизвестную природу. Иными словами, мы косвенно видим присутствие этой скрытой материи из-за ее гравитационного влияния, однако напрямую поймать ее пока не удавалось. Это явление скрытой массы получило кодовое название «темная материя».

Современная наука, особенно космология, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса

Сейчас основным кандидатом из группы WISP является аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Такая частица способна в больших магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намеки на то, как можно попробовать ее обнаружить. В эксперименте ADMX используют большие камеры, где создается магнитное поле в 80000 гаусс (это в 100000 раз больше магнитного поля Земли). Такое поле в теории должно стимулировать распад аксиона на фотон-фотонную пару, которую и должны поймать детекторы. Несмотря на многочисленные попытки, пока обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось.

Таким образом, мы пропутешествовали через огромное количество различных гипотез, стремящихся объяснить странное наличие скрытой массы, и, откинув с помощью наблюдений все невозможное, пришли к нескольким возможным гипотезам, с которыми уже можно работать.

Отрицательный результат в науке - это тоже результат, так как он дает ограничение на различные параметры частиц, например отсеивает диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, выкидывая все невозможные варианты и сужая круг поисков, мы день ото дня становимся все ближе к понимаю, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.