что собой представляет темная материя
Существует ли темная материя и зачем она нам нужна
Темная материя — самая загадочная тема современной астрофизики. Астрофизик, журналист и автор блога «Популярная наука» в «Яндекс. Дзен» Александр Дементьев объясняет, что это такое и зачем ее изучать.
По оценкам международной группы ученых, 80% вещества Вселенной приходится на темную материю. То есть Вселенная состоит неизвестно из чего. И открытие этого феномена сулит человечеству гигантские перспективы. Возможно, даже большие, чем изобретение электричества.
Впервые термин «темная материя» использовал голландский астроном Якобус Каптейн 99 лет назад. С тех пор вопрос о том, что представляет собой это загадочное вещество, остается открытым.
Что такое темная материя
Темная материя — вид скрытого вещества. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии, как «обычная» известная нам материя. Поэтому мы не можем ее обнаружить.
Как же мы тогда узнали, что темная материя существует?
Темная материя проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу ее звезд.
Если говорить максимально просто: мы видим, что масса во Вселенной, в частности у галактик, в разы больше, чем должна быть. Если сложить массу всего вещества, которое мы можем обнаружить (звезды, скопления, туманности, черные дыры и т.п.), этого не хватает, чтобы объяснить, откуда такая гравитация. Для этого масса должна быть выше. Эту «лишнюю» массу и записали на счет темной материи.
Без темной материи в космосе недостаточно массы для образования звезды. Без нее вещество «разбредалось» бы по космосу. Темная материя обеспечивает необходимую массу, которая запускает процесс образования звезд.
Примерное распределение вещества для среднестатистической эллиптической галактики выглядит так:
Каковы доказательства, что темная материя существует
Гипотеза о существовании темной материи родилась в теоретической физике. В экспериментальной физике обнаружить ее в каком-либо виде пока не удалось. Но есть убедительные экспериментальные доказательства того, что «лишняя» масса существует.
Звезды и галактики движутся с совсем другими скоростями, чем должны при условии, что темной материи не существует.
Горячего газа в галактиках слишком много. Если бы лишней массы не было, галактика не смогла бы его удержать.
Гравитационные линзы. Свет, идущий от удаленных объектов, искажен гораздо больше, чем должен.
Почему открытие темной материи важно для человечества
Темная материя давно перестала быть локальной проблемой отдельной науки. Узнав ее природу, мы гораздо лучше поймем, как устроен наш мир и, возможно, получим доступ к новым видам дешевой энергии и инновационным материалам.
В 1888 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн (обратите внимание, какая красивая цифра — 1888!). За этим последовал шквал открытий. Ученые узнали, как устроен атом, открыли, что существуют галактики, начали использовать новые виды энергии, ранее недоступные человечеству. И наша жизнь кардинально изменилась!
Сейчас 21-й год XXI века (не менее красивая цифра). И новым сравнимым по масштабу открытием может быть природа темной материи.
Даже если выяснится, что ее нет и это нелепая гипотеза, это приведет к перевороту в современной физике. Такое уже было в нашей истории. Ведь открытие электромагнитных волн отправило в небытие понятие «эфира», в котором якобы движутся все космические объекты. Никакого эфира нет, но это было важно доказать для дальнейшего прогресса в физике.
Что же представляет собой темная материя. 4 гипотезы
Предположений о том, что же такое темная материя, в современной физике огромное количество. Но глобально их все можно свести к четырем типам:
1. «Обычное» вещество. Темная материя может представлять собой совокупность черных дыр, нейтронных звезд, планет-изгоев и т.п. То есть различные объекты, которые трудно обнаружить.
Эта гипотеза считалась весьма вероятной на заре исследования темной материи. Сейчас же к ней относятся скептически, ведь черные дыры можно отлавливать по их взаимодействию с окружающей материей.
По оценкам астрофизиков, на все эти объекты может приходиться максимум 10% вещества галактик. Но никак не 80%.
2. Темная материя состоит из частиц, которые мы еще не открыли. Вероятнее всего, эти частицы должны быть довольно крупными, так как проявляют себя в гравитационном взаимодействии. И эти частицы не заряжены, иначе они проявляли бы себя в электромагнитном взаимодействии.
Частицы темной материи, скорее всего, и сейчас прошивают Землю, пролетая сквозь нее с огромными скоростями. Но никак не взаимодействуют с ней. С одной стороны, их трудно поймать, с другой — от них трудно экранироваться. И это плюс — значит, частицы темной материи есть везде. Осталось только обнаружить их.
Сейчас по всему миру пытаются эти частицы отловить. Напрямую это сделать очень сложно (они же, как мы помним, «не любят» взаимодействовать с приборами).
Возможно, поможет косвенный метод — когда мы зафиксируем взаимодействие этих неведомых частиц с другими и увидим их косвенные проявления, например в виде фотонов.
3. Что-то не так с гравитацией. Точнее, с гравитацией как силой природы всё прекрасно. Что-то не так с нашей теорией гравитации.
«Зачем плодить новые странные сущности и частицы? Давайте пересмотрим теорию гравитации», — говорят адепты этой гипотезы.
Альтернативные теории гравитации (например, модифицированная ньютоновская динамика (MOND) способны объяснить отдельные явления. Но пока не удалось создать теорию гравитации, которая объяснит все явления в совокупности и непротиворечиво.
4. Темной материи не существует. Это как раньше с эфиром. Все думали, что он есть (иначе как световые волны могут путешествовать по пустому пространству?). Но оказалось, что свет — не только частицы, но и волна, и эфир для перемещения ему не нужен. Так и тут. Возможно, у уже известных законов физики есть обратная сторона, которую мы не знаем. Но, скорее всего, он завязан на предыдущих сценариях.
Что даст человечеству открытие темной материи
Мы знаем 118 природных элементов таблицы Менделеева. И это лишь 20% вещества. Представляете, какие тайны могут быть сокрыты в остальных 80%?
Новые материалы и технологии. Древние греки знали об электричестве, но оно было для них чем-то вроде фокуса. Ведь забавно, как к расческе после причесывания притягиваются кусочки бумаги!
Когда журналист спросил Максвелла, зачем нужны его уравнения поля, ученый развел руками: он просто описал взаимодействие, существующее в природе. А теперь жизнь невозможно представить без электричества.
Но только когда мы постигли природу электричества, человечество пошло вперед семимильными шагами. Греки и понятия не имели, что подобные технологии возможны!
Когда в 1960 году Теодор Мейман представил свой первый лазер, он даже близко не представлял, как и зачем его можно использовать. А теперь он активно применяется в медицине, химии и навигации.
Понимание темной материи может теоретически дать нам доступ к энергии, которая будет намного эффективнее электричества.
Освоение космоса. Будущее человечества неизбежно связано с космической экспансией.
На Земле не так безопасно, как кажется. Человечество развилось в период относительного спокойствия. Однако за всю биологическую историю планеты было пять случаев крупного массового вымирания видов и еще 20 — менее масштабных. И только освоение других планет (говоря экономическим термином, диверсификация жизни) позволит увеличить шансы на выживание.
А как осваивать космос, путешествовать в межзвездном пространстве, если мы не знаем, из чего состоит 80% его вещества?
Мировоззрение. Кроме практической пользы будет польза философская. Мы серьезно уточним ответ на вопрос, как устроена наша Вселенная. И почему она расширяется с ускорением.
В XIX–XX веках был расцвет философии. Создавались мировоззренческие концепции, которые помогали человечеству определиться с целями и установить моральные границы. Сейчас же философия пребывает в стагнации. Искать смысл жизни в накоплении и потреблении — слишком примитивная задача. Религиозные и идеалистические мировоззрения — в очевидном кризисе.
Человечество не может развиваться без смысла. Это наша важная особенность как вида. По мнению Юваля Ноя Харари, автора книги «Sapiens. Краткая история человечества», единственное отличие человека от других животных в том, что мы можем объединиться одной идеей и вместе работать над ее воплощением.
Нужны новые крупные научные открытия, чтобы человечество смогло найти новые мировоззренческие смыслы. Иначе как нам двигаться дальше?
Темная материя: что это такое, как мы узнаем, что она есть, и найдем ли мы ее?
Смоделированный вид распределения темной материи в нашей Вселенной
Это звучит как научная фантастика, чтобы сказать, что есть невидимые, необнаружимые вещи вокруг нас, и что у него есть жуткое название темной материи. Но есть много доказательств того, что этот материал очень реален. Так что же такое темная материя? Откуда мы знаем, что оно там? И как ученые его ищут?
Все, что мы видим вокруг – от растений до планет, от камней до звезд, от людей до скопления галактик Персея – состоит из материи. Но все это составляет лишь около 15 процентов от общего количества материи во Вселенной. Подавляющее большинство, то есть оставшиеся 85 процентов, не учитываются – и мы называем это темной материей.
Во всем мире предпринимаются огромные усилия, чтобы попытаться раскрыть, что же на самом деле представляет собой темная материя, но возникает естественный вопрос: если мы не можем ее увидеть, почувствовать, услышать, понюхать или попробовать на вкус, как мы узнаем, что она вообще существует?
Откуда мы знаем, что темная материя существует?
Все, что имеет массу, имеет гравитационное притяжение, и чем больше массы что-то имеет, тем сильнее становится эта сила. Но астрономы постоянно видят, что крупномасштабные объекты, такие как галактики и скопления, ведут себя так, как будто они имеют гораздо большую массу, чем то, что видно.
Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки был первым, кто предложил идею темной материи в 1933 году. Он изучал скопление галактик и обнаружил несоответствие: похоже, что их массы не хватает, чтобы объяснить, как быстро движутся эти галактики.
Открытие Цвики было только первым примером явно пропавшей массы. В конце 1970-х астрономы Вера Рубин и Кент Форд наблюдали за нашей соседней галактикой, Андромедой. Дуэт ожидал увидеть объекты на окраинах галактики, вращающиеся медленнее, чем те, что ближе к центру, но это было не так: вместо этого относительные скорости имели тенденцию выравниваться, а объекты на окраинах вращались гораздо быстрее, чем должна была позволить видимая масса.
Еще одним убедительным доказательством является гравитационное линзирование. Поскольку световые лучи искажаются гравитационными полями, огромные массы могут изгибать свет, проходящий мимо более удаленных объектов, и делать эти объекты более крупными или яркими, как космическое увеличительное стекло. В других случаях он может дублировать изображение объекта или даже «воспроизводить» такие события, как сверхновые. Опять же, это линзирование часто происходит сильнее, чем это должно быть возможно из видимой массы объекта в середине.
Темная история вселенной
Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру вселенной, которую мы видим сегодня.
В первые дни существования Вселенной все было относительно гладко. Мы можем видеть это сегодня на фоне космического микроволнового излучения, которое является излучением, которое было создано приблизительно через 400 000 лет после Большого взрыва. Независимо от того, в каком направлении мы смотрим, это излучение выглядит одинаково.
Так как же эволюционировала Вселенная от супергладких до комковатых скоплений? Это влияние темной материи.
Даже в спокойные ранние дни существования Вселенной в некоторых областях было чуть больше темной материи, чем в других. Эта дополнительная масса означала большую гравитацию, поэтому эти более плотные области притягивали регулярную материю, которая, в свою очередь, притягивала все больше и больше. В конечном счете жара и давление заставили эти очаги материи воспламениться как звезды, что дало толчок образованию планетных систем, галактик и кластеров, которые мы видим сегодня.
Тот факт, что вселенная структурирована так, как она есть, является еще одним свидетельством темной материи. Так что мы знаем, что она там. Но что именно это такое? И как ученые ее ищут?
Охота за темной материей
Эксперимент ABRACADABRA не обнаружил сигналов аксионов с массами от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт
Нелегко искать что-то невидимое и редко взаимодействующее с обычной материей. Итак, ученые начинают с теоретизирования того, что может быть темной материей, а затем разрабатывают и проводят эксперименты для проверки каждой гипотезы. Проблема в том, что темная материя может быть чем угодно.
Частицы темной материи могут быть одними из самых легких во Вселенной, или же они могут иметь массу карликовой планеты, или где угодно между ними. Темная материя может быть «горячей» или «холодной», что не имеет ничего общего с температурой, но описывает, как быстро она движется. Она может существовать в возбужденных состояниях, или иметь более низкую энергию.
Может ли ЦЕРН создать темную материю?
3D-рендеринг Большого адронного коллайдера
Различные типы экспериментов охотятся за различными теоретическими частицами темной материи. Пожалуй, самые известные эксперименты проводятся церном на Большом адронном коллайдере (LHC). Там ученые ищут темную материю, пытаясь создать ее.
В LHC протоны сталкиваются с чрезвычайно высокими энергиями, создавая поток других частиц. Иногда это экзотические частицы, к которым ученые обычно не имеют доступа, и есть надежда, что темная материя может быть среди них.
Опять же, если бы темная материя была произведена в одном из этих столкновений, было бы невозможно непосредственно обнаружить – вместо этого она просто выплыла бы из туннеля, не взаимодействуя с детектором. Но именно это необнаружение и ищут ученые.
Хотя LHC совершил квадриллионы этих столкновений за эти годы, до сих пор не было обнаружено никаких подозрительных сигналов темной материи. Но это помогает сузить широкий спектр возможностей, поэтому будущие поиски могут быть более целенаправленными.
Возможно, ответ, наконец, придет после того, как в 2026 году модернизация LHC будет завершена.
Прямое обнаружение темной материи
В то время как LHC ищет в одной части спектра возможностей, другие эксперименты пытаются обнаружить его по-разному. Эти исследования основываются на возможности того, что темная материя иногда может взаимодействовать с обычной материей другими способами, кроме гравитации.
Эта базовая концепция была реализована в различных экспериментах по всему миру. Детекторы обычно размещаются в глубоких подземных камерах, вдали от помех, таких как космические лучи или электромагнитные сигналы. И все они ищут различные гипотетические частицы темной материи, используя в качестве детектора различные вещества.
В экспериментах типа LUX и XENON1T использовались огромные емкости с ксеноном, чтобы попытаться обнаружить кандидата темной материи, известного как слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP). Идея заключается в том, что когда эти теоретические WIMP сталкиваются с атомом ксенона в резервуаре, они испускают вспышку света, которую могут обнаружить инструменты.
Другое предложение будет использовать вместо этого сверхтекучий гелий. Логика заключается в том, что гелий имеет гораздо более легкое атомное ядро, чем ксенон, поэтому он должен быть более чувствительным к удару темной материи. Это означает, что он может собирать частицы темной материи, которые в 10 000 раз легче, чем другие эксперименты.
В других экспериментах все происходит совершенно по-другому.
Представление камеры радиообнаружения аксионов.
Одним из ведущих кандидатов на роль темной материи является гипотетическая частица, называемая аксионом. Если бы они существовали, то были бы электрически нейтральными, очень легкими и дрейфовали бы повсюду волнами. Но самое главное, они должны иметь крошечные, но обнаруживаемые взаимодействия с электричеством и магнетизмом – и именно так они могут проявляться.
Эксперимент ABRACADABRA предназначен для поиска магнитного отпечатка аксионами. Идея состоит в том, что из-за того, как работают электромагнитные поля, в самом центре кольцевого магнита не должно быть магнитного поля. Так что, если вы установите его и посмотрите на середину, аксион может заявить о себе, если там возникнет самопроизвольное магнитное поле.
В похожей идее ученые из Стокгольмского университета предложили устройство, которое они называют «Аксион-радио». Детектор также использует мощный магнит, но в центре находится камера, заполненная холодной плазмой, которая содержит лес ультратонких проводов. На этот раз любые аксионы, проходящие через него, создадут небольшое электрическое поле, которое приведет к колебаниям в плазме.
Эксперимент nEDM ищет аксионы по-другому. Здесь нейтроны захватываются и электризуются, затем их спин контролируется. Высокое напряжение должно влиять на их скорость спина на определенной частоте – и если эта частота будет видна, что изменяется с течением времени, это может быть признаком аксионной интерференции.
Нулевые результаты не являются недействительными
Охота на темную материю продолжается
Каждый тест ищет кандидатов на темную материю в определенном диапазоне масс и с определенными свойствами, и по мере того, как мы вычеркиваем их из списка, мы все больше приближаемся к истине. И это помогает тому, что многие эксперименты получают обновления в будущем, которые сделают их еще более чувствительными.
Тем временем, часто предлагаются совершенно новые идеи. В последние годы ученые предположили, что темная материя может принимать форму сверхтяжелых гравитино, гексакварков d-star или даже «темной жидкости» с отрицательной массой, пронизывающей Вселенную.
Или, конечно, возможно, это просто математическое недоразумение, и какая-то невидимая и неизвестная сила создает эти странные гравитационные эффекты. Что бы это ни было, охота на темную материю далека от завершения.
Темная материя — «инопланетяне» для астрофизиков?
При всем нашем понимании законов физики и успехах Стандартной модели и общей теории относительности, во Вселенной есть ряд наблюдаемых явлений, которые не получается объяснить. Вселенная полна загадок, начиная от звездообразования и заканчивая высокоэнергетическими космическими лучами. Хотя мы постепенно открываем для себя космос, мы до сих пор не знаем всего. Например, мы знаем, что темная материя существует, но не знаем, каковы ее свойства. Значит ли это, что мы должны приписывать проявлениям темной материи все неизвестные эффекты?
Вселенная полна загадок, начиная от звездообразования и заканчивая высокоэнергетическими космическими лучами
Загадок на тему темной материи столько же, сколько и доказательств ее существования. Но винить темную материю во всех загадочных проявлениях космоса не только близоруко, но и неправильно. Так бывает, когда у ученых иссякают хорошие идеи.
Две яркие большие галактики в центре скопления Кома, каждая больше миллиона световых лет в размерах. Галактики на окраинах указывают на существование большого ореола темной материи по всему скоплению
Что такое темная материя
Темная материя имеется во Вселенной повсюду. Впервые к ней обратились в 1930-х годах, чтобы объяснить быстрое движение отдельных галактик в галактических скоплениях. Произошло это потому, что всей обычной материи — вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов, — недостаточно, чтобы объяснить общее количество гравитации. Сюда входят звезды, планеты, газ, пыль, межзвездная и межгалактическая плазма, черные дыры и все остальное, что мы можем измерить. Линии доказательств, поддерживающих темную материю, многочисленны и убедительны, как отмечает физик Итан Зигель.
Темная материя необходима для объяснения:
И в небольших масштабах отдельных галактик, и в масштабах всей Вселенной темная материя необходима.
Где находится темная материя
Если поместить все это в контекст остальной космологии, мы считаем, что каждая галактика, включая нашу собственную, содержит массивное диффузное гало темной материи, окружающее ее. В отличие от звезд, газа и пыли в нашей галактике, которые находятся по большей части в диске, гало темной материи должно быть сферическим, поскольку в отличие от обычной (на основе атомов) материи, темная материя не «сплющивается», когда вы сжимаете ее. Также темная материя должна быть плотнее у галактического центра и простираться в десять раз дальше, чем звезды самой галактики. Наконец, должны быть небольшие комки темной материи в каждом гало.
Чтобы воспроизвести полный набор наблюдений, перечисленных выше, а также другие, темная материя не должна обладать никаким свойствами, кроме следующих: она должна иметь массу; она должна взаимодействовать гравитационно; она должна медленно двигаться относительности скорости света; она не должна сильно взаимодействовать посредством других сил. Всё. Любые другие взаимодействия сильно ограничиваются, но не исключаются.
Почему же всякий раз, когда производится астрофизическое наблюдение с избытком обычной частицы определенного типа — фотонов, позитронов, антипротонов — люди первым делом говорят о темной материи?
Как узнать темную материю
Эти астрофизические позитронные сигнатуры встречаются вблизи галактического центра, ориентированные на точечные источники, такие как микроквазары и пульсары, расположенные в загадочном регионе нашей галактике, известном как Великий Аннигилятор, и в части диффузного фона, происхождение которого неизвестно. Одно известно наверняка: мы видим больше позитронов, чем ожидаем увидеть. И об этом известно давно. PAMELA это измерила, «Ферми» это измерил, AMS на борту МКС это измерил. Совсем недавно обсерватория HAWC измерила чрезвычайно высокоэнергетические, ТэВ-уровня гамма-лучи и показала, что это сильно разогнанные частицы, поступающие от пульсаров среднего уровня. Но, к сожалению, этого недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый излишек позитронов.
По какой-то причине с каждым измерением излишка позитронов, с каждым наблюдением астрофизического источника, который его не объясняет, нарратив перетекает в «мы не можем его объяснить, поэтому виновата темная материя». И это плохо, потому что есть много возможных астрофизических источников, не требующих ничего экзотического, например:
Этот список не окончательный, но представляющий несколько примеров того, что могло бы создавать этот излишек.
Чем опасна темная материя
Многие работающие в этой области делают выбор в пользу темной материи, потому что будет прорывом, если темная материя уничтожает и производит гамма-лучи и частицы обычной материи. Это был бы сценарий мечты для астрофизиков-охотников за темной материей. Но принятие желаемого за действительное никогда не приводило к крупным открытиям. И хотя темная материя чаще всего представляется объяснением излишка позитронов, это не более вероятно, чем инопланетяне, объясняющие звезду Табби.
Обратившись за объяснениями к Бренде Дингус, главному исследователю HAWC, Итан Зигель получил следующий комментарий:
«Несомненно, есть и другие источники позитронов. Но позитроны не уходят далеко от своих источников, и поблизости не так-то много источников. Два лучших кандидата были обнаружены HAWC, и теперь мы знаем количество позитронов, которые они производят. Мы также знаем, как эти позитроны диффундируют от своих источников; медленнее, чем ожидалось. Хотя мы подтвердили источники позитронов поблизости, мы открыли, что позитроны очень медленно уходят от места своего происхождения, а значит не создают излишек позитронов на Земле. Исключая одну возможность, мы делаем другие возможности более вероятными. Впрочем, это не значит, что позитроны ДОЛЖНЫ исходить из темной материи. Мы не подразумеваем это».
Весьма замечательно, что позитроны в данных HAWC объясняют только 1% позитронов, наблюдаемых в других экспериментах, указывая на что-то еще в качестве виновника торжества. Когда производится наблюдение, расходящееся с нашими традиционными идеями, как с излишком астрофизических позитронов, не стоит исключать, что в деле может быть замешана темная материя. Но намного более вероятно, что другие астрофизические процессы объясняют эти эффекты. Когда в науке появляется загадка, все хотят революции, но чаще всего получают нечто заурядное.