Темная материя — это невидимая форма материи, обладающая массой. Она не излучает и не поглощает тепло, свет или другие электромагнитные волны. Кроме того, он «слабо» взаимодействует с обычным веществом, что делает его еще более незаметным.
Из всех областей науки одной из самых популярных является астрономия, и не зря. Люди всегда задумывались о мерцающих звездах, сияющей Луне и случайных метеоритах, освещающих ночное небо! С момента изобретения телескопа наше любопытство к миру за пределами нашей планеты только увеличилось.
С помощью продвинутых космических телескопов, таких как Хаббл, мы можем заглянуть вглубь космоса и обнаружить даже те древние галактики, которые образовались сразу после Большого взрыва. Фактически, именно при взгляде на одну из этих нетронутых галактик была впервые задумана одна из самых больших загадок Вселенной — темная материя!
В начале 1600-х годов Иоганн Кеплер определил, что чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее её вращение вокруг Солнца. Несколько десятилетий спустя пришел Ньютон и заложил фундаментальные законы гравитации, которые позволили нам измерить эту невероятно важную силу. Используя закон всемирного тяготения Ньютона, мы вычислили гравитацию Солнца, которая, в свою очередь, дала нам подробную информацию о массе Солнца. С дальнейшим развитием телескопов и других астрономических технологий ученые начали применять закон тяготения Ньютона к вращающимся галактикам.
В 1930-х годах швейцарский астроном по имени Фриц Цвикки исследовал галактики в скоплении Кома. Он отметил, что несколько галактик движутся с очень высокой скоростью. Их скорость была столь велика, что они больше не могут оставаться гравитационно связанными и неизбежно распадутся.
Он предположил, что потребуется примерно в 100 раз больше материи, чтобы оправдать непомерную скорость удаления этих галактик. Он с подозрением относился к этой загадочной материи, но был уверен, что ее нельзя увидеть, как обычную материю. Таким образом, он назвал это темной материей. Неудивительно, что научное сообщество в то время не приняло всерьез идею Фрица.
Потребовалось еще 40 лет, чтобы его идею приняли. В 1970-х годах другой астроном по имени Вера Рубин изучала спиральные галактики. Как и Цвикки, она ожидала увидеть, что по мере удаления от центра галактики газовые облака должны двигаться медленнее, в соответствии с законами гравитации Ньютона.
Однако, она заметила обратное. Она увидела, что для многих галактик в скоплении скорость увеличивалась по мере отдаления от центра. Для некоторых галактик перемещение от центра не повлияло на скорость вообще. Это наблюдение подразумевало, что вместо сосредоточения в центре, масса галактики распределялась по всему диску. Несмотря на цифры, не было достаточно видимого материала, чтобы объяснить эту скорость.
Единственным объяснением, которое могло оправдать эту аномалию, было некое невидимое вещество, имеющее массу. Эта загадочная материя была предложена как невидимая, поскольку ее нельзя было обнаружить, как звезды, газ, пыль и другие известные небесные тела. Кроме того, этот материал необходимо было распределить по диску, чтобы обеспечить правильное вращение. Рубин подсчитала, что эта невидимая темная материя была примерно в 5-6 раз массивнее всей остальной массы обычной материи. Вы также можете прочитать описание теории струн простыми словами.
После наблюдения Рубин было проведено еще много исследований в попытках раскрыть секреты темной материи. По иронии судьбы, самое примечательное в материи то, что мы почти ничего о ней не знаем! В ходе исследований удалось подтвердить, что темная материя имеет массу, но, в отличие от обычной материи, она не излучает и не поглощает тепло, свет или любые другие электромагнитные волны.
Материал, с которым мы знакомы в космосе, в основном состоит из барионной материи, то есть из протонов, нейтронов и электронов. Однако большинство ученых считает, что темная материя вряд ли будет барионной, поскольку она не проявляет свойств обычной материи. Скорее всего, она небарионная.
Таким образом, возникает вопрос… если она небарионная, то из чего состоит темная материя? Несколько исследований ведутся в настоящее время, но пока что мы не добились большого успеха. При этом существует несколько гипотез. Первая — это гипотетическая субатомная частица, называемая аксионом.
Аксион — это предполагаемая частица, которая берет свое начало в теории квантовой механики. Его существование не было подтверждено напрямую, но свойства аксионов очень похожи на свойства темной материи. Аксионы обладают массой и не излучают много света. В результате их физическая структура будет лишена люминесценции и будет темной. Исследования продолжаются, но аксионы по-прежнему остаются неуловимыми.
Еще одна предлагаемая частица, которая может быть основным строительным блоком темной материи, — это WIMP. WIMP — это слабовзаимодействующие массивные частицы. Это также гипотетическая идея, не подтвержденная эмпирически. Предлагаемая частица не имеет электрического заряда. Их называют «слабыми», потому что они слабо взаимодействуют с обычной материей. Их взаимодействие настолько слабое, что многие ученые предполагают, что оно может проходить через нас без нашего ведома.
Используя WIMP, астрофизики пытались объяснить несколько загадок космоса, в том числе то, почему внешние края некоторых галактик вращаются быстрее, чем центр. Фактически, в научном сообществе идея WIMP предпочитается другим конкурирующим идеям. Хотя WIMP помогает разгадывать довольно много загадок космоса, он не решает их все.
Например, когда ученые пытались применить модель WIMP и провести компьютерное моделирование галактик, подобных Млечному Пути, симуляция предсказала присутствие нескольких сотен небольших галактик-спутников вокруг внешней периферии Млечного Пути. Однако, когда астрономы попытались установить это эмпирически, они смогли обнаружить только около двадцати из них. Эти аномалии выявили слабость теории WIMP. Астрофизики по всему миру пытаются придумать улучшенную модель теории WIMP, которая могла бы устранить эти несоответствия.
А теперь давайте посмотрим на некоторые из более крупных экспериментов по раскрытию тайн темной материи.
Одна из самых известных работ, связанных с темной материей, осуществляется в подземном исследовательском центре Сэнфорда под знаменем большого подземного эксперимента с темным ксеноном, или LUX. Для изучения вимпов в лаборатории на глубине в несколько сотен метров проводятся эксперименты с темной материей.
Комплекс расположен под землей, потому что для обнаружения темной материи необходима изолированная среда. Не может быть большого влияния внешнего шума или другого излучения, которое обычно присутствует в атмосфере Земли. Тысячи футов скалы используются в качестве виртуального щита для максимальной защиты подземной исследовательской лаборатории от внешнего вмешательства. В основе проекта LUX по темной материи лежит изолированный резервуар для воды объемом 80 000 галлонов, содержащий воду высокой степени очистки для обнаружения присутствия вимпов.
Внутри этого бака находится еще один бак, заполненный переохлажденным жидким ксеноном. Идея состоит в том, что если какая-либо темная материя пройдет через этот резервуар и столкнется с атомом ксенона в этой изолированной среде, встроенные в резервуар датчики обнаружат загадочную темную материю. Несмотря на эти огромные усилия, нам еще не удалось найти WIMP. Многие ученые полагают, что, поскольку WIMP по своей природе обманчив и слаб, их почти невозможно обнаружить с помощью датчиков, сделанных из обычной материи. В качестве детектора WIMP в LUXК используется сенон, один из самых тяжелых благородных газов и очень редкий химический элемент на Земле.
Поскольку мы не можем уловить и обнаружить эти загадочные частицы, как насчет создания их в лаборатории? В ЦЕРНе в Швейцарии продолжается проект по созданию темной материи путем воссоздания Большого взрыва. В CERN существует обширная сеть труб / туннелей, которые пересекаются в некоторых точках так называемого Большого Адронного Коллайдера.
Основная идея этого проекта состоит в том, чтобы запустить пучок протонов с одного направления через один из длинных тоннелей, а затем запустить другой пучок протонов с противоположного конца. Конструкция коллайдера такова, что есть четыре точки, где две фотонесущие трубы пересекаются.
Продолжаются попытки увидеть, как эти лучи сталкиваются с нужной скоростью, чтобы вызвать взрыв, в результате чего вокруг будет разбросана масса частиц. Исследователи ожидают, что среди них будет темная материя. Короче говоря, одна из самых больших машин в мире используется для обнаружения одной из мельчайших частиц, когда-либо предполагавшихся при попытке воссоздать Большой взрыв!
Несмотря на наши усилия по раскрытию темной материи, особых успехов пока не наблюдается. Однако, если нам удастся решить загадку, это коренным образом изменит физику в том виде, в каком мы ее знаем — точно так же, как законы движения Исаака Ньютона или теории относительности Альберта Эйнштейна изменили мир. Возможно, тогда у нас был бы лучший ответ на некоторые фундаментальные вопросы, в том числе — в какой вселенной мы живем ?!