Ученые сделали важный шаг на пути к разгадыванию одной из главных тайн во Вселенной - темной материи, которая, как считается, заполняет большую часть космического пространства. Специалисты, работающие над проектом Dark Energy Survey , с помощью мощного телескопа в Андах смогли создать карту , демонстрирующую распределение темной материи. На ней видны большие витки темной материи, усыпанные галактиками и разделенные свободным пространством .
До сих пор ученые могли изучать темную материю только измеряя искажение света с далеких галактик. В итоге специалисты хотят измерить темную энергию - еще более таинственную силу, которая расширяет Вселенную с постоянно увеличивающейся скоростью.
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.
Широкое распространение термин получил после работ Фрица Цвикки. Цвикки измерил радиальные скорости восьми галактик в скоплении Кома (созвездие Волосы Вероники) и обнаружил, что для устойчивости скопления приходится предположить, что его полная масса в десятки раз больше, чем масса входящих в него звёзд. Вскоре другие астрономы пришли к таким же выводам для многих других галактик. Начиная с 1960-х годов, когда начался бурный прогресс наблюдательных средств астрономии, число аргументов в пользу существования тёмной материи быстро росло. При этом оценки её параметров, полученные из разных источников и разными методами, в целом согласуются между собой.
Наличие во Вселенной неизвестной материи и ее влияние оказалось типичной ситуацией в мире галактик.
Было проведено изучение движения в системах двойных галактик и в галактических скоплениях. Оказалось, что в этих масштабах доля тёмной материи намного выше, чем внутри галактик.
Звёздная масса эллиптических галактик, согласно расчётам, недостаточна для удержания входящего в галактику горячего газа, если не учесть тёмную материю.
Оценка массы скоплений галактик, осуществляющих гравитационное линзирование, даёт результаты, включающие вклад тёмной материи и близкие к полученным другими методами.
Большой вклад внесла в конце 1960-х и начале 1970-х годов астроном Вера Рубин из Института Карнеги — она была первой, кто провел точные и надёжные вычисления, указывающие на наличие тёмной материи. Вместе с соавтором (Кент Форд), Рубин заявила на конференции Американского Астрономического Общества в 1975 году об открытии: большинство звезд в спиральных галактиках двигаются по орбитам примерно с одинаковой угловой скоростью, что приводит к мысли, что плотность массы в галактиках одинакова и для тех регионов, где большинство звезд (балдж), и для тех регионов на краю диска, где звезд мало .
Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.
Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.
Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества , по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому не обнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения.
Однако теоретические модели предоставляют большой выбор возможных кандидатов на роль небарионной невидимой материи – это: лёгкие нейтрино, тяжёлые нейтрино, аксионы, космионы и суперсимметричные частицы такие как фотино, гравитино, хиггсино, снейтрино, вино и зино.
Существуют альтернативные теории темной материи и темной энергии:
Материя из других измерений (параллельных Вселенных)
В некоторых теориях о дополнительных измерениях гравитация принимается как уникальный тип взаимодействия, который может действовать на наше пространство из дополнительных измерений. Это предположение помогает объяснить относительную слабость гравитационного взаимодействия по сравнению с тремя другими основными взаимодействиями (электромагнитным, сильным и слабым. Эффект тёмной материи может быть логично объяснён взаимодействием видимой материи из наших обычных измерений с массивной материей из других (дополнительных, невидимых) измерений через гравитацию. При этом остальные типы взаимодействий эти измерения и эту материю в них не могут никак ощутить, не могут с ней взаимодействовать. Материя в других измерениях (фактически в параллельной Вселенной) может формироваться в структуры (галактики, скопления галактик) похожим на наши измерения способом или формировать свои, экзотические структуры, которые в наших измерениях ощущаются как гравитационное гало вокруг видимых галактик.
Топологические дефекты пространства
Тёмная материя может просто являться изначальными (возникшими в момент Большого Взрыва) дефектами пространства и/или топологии квантовых полей, которые могут содержать в себе энергию, тем самым вызывая гравитационные силы.
Вопрос происхождения Вселенной, ее прошлого и будущего волновал людей с незапамятных времен. На протяжении многих веков теории возникали и опровергались, предлагая картину мира, опирающуюся на известные данные. Основательным потрясением для научного мира стала теория относительности Эйнштейна. Она же внесла огромный вклад в понимание процессов, формирующих Вселенную. Однако и теория относительности не могла претендовать на звание истины в последней инстанции, не требующей каких бы то ни было дополнений. Совершенствующиеся технологии позволили астрономам сделать немыслимые ранее открытия, которые потребовали новой теоретической базы или значительного расширения уже существующих положений. Одним из таких феноменов стала темная материя. Но обо всем по порядку.
Дела давно минувших дней
Для понимания термина «темная материя» вернемся в начало прошлого века. В то время главенствовало представление о Вселенной как о стационарной структуре. Между тем общая теория относительности (ОТО) предполагала, что рано или поздно приведет к «слипанию» всех объектов космоса в единый клубок, произойдет так называемый гравитационный коллапс. Между космическими объектами не существует сил отталкивания. Взаимное притяжение компенсируется центробежными силами, создающими постоянное движение звезд, планет и прочих тел. Таким образом поддерживается равновесие системы.
Для того чтобы предотвратить теоретический коллапс Вселенной, Эйнштейн ввел космологическую постоянную - величину, приводящую систему в необходимое стационарное состояние, но при этом фактически выдуманную, не имеющую очевидных оснований.
Расширяющаяся Вселенная
Вычисления и открытия Фридмана и Хаббла показали отсутствие необходимости нарушать стройные уравнения ОТО при помощи новой постоянной. Было доказано, и сегодня этот факт практически ни у кого не вызывает сомнений, что Вселенная расширяется, у нее было когда-то начало, и о стационарности речи идти не может. Дальнейшее развитие космологии привело к появлению теории большого взрыва. Главное подтверждение новых предположений — наблюдаемое увеличение со временем расстояния между галактиками. Именно измерение скорости удаления друг от друга соседних космических систем и привело к формированию гипотезы о том, что существует темная материя и темная энергия.
Данные, не согласующиеся с теорией
Фриц Цвикки в 1931 году, а потом и Ян Оорт в 1932-м и в 1960-х занимались подсчетом массы вещества галактик в удаленном скоплении и соотношения ее со скоростью удаления их друг от друга. Из раза в раз ученые приходили к одним и тем же выводам: такого количества вещества недостаточно, чтобы создаваемая им гравитация могла удержать вместе галактики, двигающиеся со столь большими скоростями. Цвикки и Оорт предположили, что существует скрытая масса, темная материя Вселенной, не позволяющая космическим объектам разлететься в разные стороны.
Однако гипотеза получила признание научного мира только в семидесятых годах, после оглашения результатов работы Веры Рубин.
Она построила кривые вращения, наглядно демонстрирующие зависимость скорости движения вещества галактики от расстояния, которое отделяет его от центра системы. Вопреки теоретическим предположениям оказалось, что скорости звезд по мере удаления от галактического центра не уменьшаются, а возрастают. Объяснить подобное поведение светил можно было только наличием у галактики гало, которое заполняет темная материя. Астрономия, таким образом, столкнулась с совершенно неизученной частью мироздания.
Свойства и состав
Темной этот называют потому, что ее нельзя увидеть никакими существующими способами. Ее присутствие опознается по косвенному признаку: темная материя создает гравитационное поле, при этом не излучая совершенно электромагнитных волн.
Важнейшей задачей, возникшей перед учеными, стало получение ответа на вопрос о том, из чего состоит эта материя. Астрофизики пытались «наполнить» ее привычным барионным веществом (барионная материя состоит из более или менее изученных протонов, нейтронов и электронов). В темное гало галактик включали компактные слабоизлучающие звезды типа и огромные, по массе приближенные к Юпитеру планеты. Однако подобные предположения не выдерживали проверки. Барионная материя, привычная и известная, таким образом, не может играть существенной роли в скрытой массе галактик.
Сегодня поиском неизвестных составляющих занимается физика. Практические изыскания ученых основываются на теории суперсимметрии микромира, согласно которой для каждой известной частицы существует суперсимметричная пара. Вот они-то и составляют темную материю. Однако доказательств существования подобных частиц пока получить не удалось, возможно, это дело ближайшего будущего.
Темная энергия
Открытием нового типа материи не закончились сюрпризы, которые подготовила Вселенная ученым. В 1998 году астрофизикам представился еще один шанс сопоставить данные теорий с фактами. Этот год ознаменовался взрывом в далекой от нас галактике.
Астрономы измерили расстояние до нее и крайне удивились полученным данным: звезда вспыхнула гораздо дальше, чем это должно было быть согласно существующей теории. Оказалось, что со временем увеличивается: сейчас она гораздо выше, чем была 14 миллиардов лет назад, когда предположительно случился большой взрыв.
Как известно, чтобы ускорить движение тела, ему нужно передать энергию. Силу, которая вынуждает Вселенную расширяться быстрее, стали называть темной энергией. Это не менее загадочная часть космоса, чем темная материя. Известно лишь, что для нее характерно равномерное распределение по всей Вселенной, а зарегистрировать ее воздействие можно лишь на огромных космических расстояниях.
И снова космологическая постоянная
Темная энергия пошатнула теорию большого взрыва. Часть научного мира скептически относится к возможности подобной субстанции и вызванного ей ускорения расширения. Некоторые астрофизики пытаются возродить забытую космологическую постоянную Эйнштейна, которая вновь из разряда большой научной ошибки может перейти в число рабочих гипотез. Ее присутствие в уравнениях создает антигравитацию, приводящую к ускорению расширения. Однако некоторые следствия наличия не согласуются с данными наблюдений.
Сегодня темная материя и темная энергия, составляющие большую часть вещества во Вселенной, — загадки для ученых. Однозначного ответа на вопрос об их природе нет. Более того, возможно, это не последняя тайна, что хранит от нас космос. Темная материя и энергия могут стать преддверием новых открытий, способных перевернуть наше представление об устройстве Вселенной.
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.
Майкл Рампино, профессор биологии из Университета Нью-Йорка, что движение Земли через галактический диск (наш регион в галактике Млечный Путь) могло стать причиной массовых вымираний на Земле. Это произошло потому, что наше движение нарушило орбиты комет во внешней Солнечной системе (известной как «облако Оорта») и вызвало увеличение теплоты ядра нашей планеты.
Вместе со своими планетами, Солнце обращается вокруг центра Млечного Пути каждые 250 миллионов лет. Во время своего путешествия оно плетется через галактический диск каждые 30 миллионов лет. Рампино утверждает, что проход Земли через диск совпадает с падением комет и массовыми вымираниями на Земле, включая то, что случилось 65 миллионов лет назад, когда вымерли динозавры. Есть также теория, что непосредственно перед тем, как астероид положил конец гигантским ящерам, их ряды существенно проредили вулканические извержения.
Сочетание необычной вулканической активности и столкновения с астероидом совпадают с прохождением Земли через галактический диск: «Во время прохождения через диск концентрации темной материи нарушают пути комет, которые, как правило, пролетают далеко от Земли во внешней Солнечной системе», говорит Рампино. «Это означает, что кометы, которые обычно путешествуют на больших расстояниях от Земли, выбирают необычные пути вплоть до столкновения с планетой». Некоторые считают, что теория Рампино не работает, потому что динозавры вымерли из-за падения астероида, а не кометы. Тем не менее, есть мнение, что 4% облака Оорта состоит из астероидов, а это порядка восьми миллиардов.
В дополнение к этому Рампино считает, что каждый проход Земли через галактический диск приводил к тому, что темная материя накапливалась в ядре планеты. Поскольку частицы темной материи аннигилируют друг друга, они создают сильное тепло, а оно может вызывать вулканические извержения, изменения уровня моря, рост гор и другую геологическую активность, которая серьезно влияет на жизнь на Земле.
Млечный Путь может быть гигантской червоточиной
Возможно, мы живем в гигантском туннеле, который является коротким путем через Вселенную. Как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, червоточина — это регион, в котором пространство и время искривляются, создавая «кротовую нору» в удаленную часть Вселенной. По мнению астрофизиков из Международной школы продвинутых исследований в Триесте, Италия, темная материя в нашей галактике может быть распределена таким образом, что обеспечивает стабильно существующую червоточину . Эти ученые считают, что пришло время переосмыслить природу темной материи, возможно, она просто представляет .
«Если мы объединим карту темной материи в Млечном Пути с последней моделью Большого Взрыва, - говорит профессор Пауло Салуччи, - и предположим существование пространственно-временных туннелей, мы получим, что наша галактика вполне может располагать одним из таких туннелей, и такой туннель может быть размером с целую галактику. Кроме того, мы можем даже пройти через этот туннель, поскольку он, согласно нашим расчетам, будет судоходным. Как тот, что мы видели в фильме «Интерстеллар».
Конечно, это всего лишь теория. Но ученые считают, что темная материя может быть ключом к созданию червоточины и наблюдению за ней. Пока же никаких червоточин в природе обнаружено не было.
Открытие галактики X
Галактика X также известна как галактика темной материи, по большей части невидимая карликовая галактика, которая может быть причиной странной ряби в холодном водороде за пределами диска Млечного Пути. Считается, что галактика X является спутниковой галактикой Млечного Пути в кластере из четырех переменных цефеид, пульсирующих звезд, которые используются в качестве маркеров для измерения расстояний в космосе. Мы не видим остальную часть этой карликовой галактики, потому что она состоит из темной материи, согласно теории. Тем не менее благодаря гравитационному притяжению этой галактики возникает рябь, которую мы видим. Без источника гравитации в виде темной материи, удерживающего их вместе, четыре цефеиды, скорее всего, разлетелись бы прочь.
«Открытие переменных цефеид показывает, что наш метод нахождения местоположений карликовых галактик с преимущественно темной материей работает, - говорит астроном Сукания Чакрабарти. - Это может помочь нам в конечном счете понять, из чего состоит темная материя. Также это показывает, что теория тяготения Ньютона может использоваться в самых дальних уголках галактики и нет необходимости изменять нашу теорию гравитации».
Распад бозона Хиггса на темную материю
Разработанная в 1970-е годы физики элементарных частиц представляет собой набор теорий, которые по сути предсказывают все известные субатомные частицы во Вселенной и то, как они взаимодействуют. С подтвержденным в 2012 году существованием бозона Хиггса (известным также как «частица Бога»), Стандартная модель стала завершенной. К сожалению, эта модель объясняет далеко не все и ничего не говорит про гравитацию и темную материю. Масса частицы Хиггса также некоторым ученым.
Это и побудило ученых из Технологического университета Чалмерса предложить новую модель, основанную на суперсимметрии, которая оснащает каждую известную частицу Стандартной модели более тяжелым суперпартнером. Согласно новой теории, небольшая часть частиц Хиггса распадается на фотон (частицу света) и два гравитино (гипотетические частицы темной материи). , она полностью перевернет наше понимание фундаментальных строительных блоков природы.
Темная материя на Солнце
В зависимости от метода, используемого для анализа Солнца, количество элементов тяжелее водорода или гелия будет колебаться на 20-30 процентов. Мы можем измерить каждый из этих элементов, глядя на спектр излучаемого им света, как по отпечатку пальца, или изучить, как он влияет на звуковые волны, проходящие сквозь Солнце. Таинственная разница в этих двух типах измерения элементов Солнца называется проблемой солнечного избытка (или изобилия).
Нам необходимо точно измерить эти элементы, чтобы понять химический состав Солнца, а также его плотность и температуру. Во многих отношениях это также поможет нам понять состав и поведение других звезд, а также планет и галактик.
В течение многих лет ученые не могли разработать приемлемое решение. Затем астрофизик Аарон Винсент и его коллеги предположили наличие темной материи в ядре Солнца в качестве возможного ответа на вопрос. После проверки многих моделей, они пришли к теории, которая вроде как работала. Тем не менее она включала специальный тип темной материи - «слабо взаимодействующую асимметричную темную материю», которая могла быть либо материей, либо антиматерией одновременно.
На основе измерений гравитации ученые узнали, что Солнце окружает гало темной материи. Частицы асимметричной темной материи не содержат много антиматерии, поэтому могут переживать контакт с обычной материей и накапливаться в ядре Солнца. Эти частицы также могут абсорбировать энергию в центре Солнца, а затем транспортировать ее тепло к внешним краям, что могло бы объяснить проблему солнечного избытка.
Темная материя может быть макроскопической
Ученые из Case Western Reserve сомневаются, что мы ищем темную материю в нужных местах. В частности, что темная материя может состоять не из крошечных экзотических частиц вроде вимпов (слабо взаимодействующих массивных частиц), а из макроскопических объектов, которые варьируются от нескольких сантиметров до размеров астероида. Однако ученые ограничивают свою теорию тем, что уже наблюдается в космосе. Отсюда рождается их вера, что Стандартная модель физики элементарных частиц даст ответ. Новая модель не нужна.
Ученые назвали свои объекты темной материи «макросами». Они не утверждают, что вимпов и аксионов нет, но допускают, что наш поиск темной материи может включать других кандидатов. Есть примеры материи, которая не является ни обычной, ни экзотической, но которая подходит по параметрам к Стандартной модели.
«[Научное] сообщество отказалось от мысли, что темная материя может состоять из обычного вещества, в конце 80-х, - говорит профессор физики Гленн Старкмен. - Мы задаемся вопросом, не ошиблось ли оно и не может ли темная материя состоять из обычного вещества - кварков и электронов?».
Обнаружение темной материи по GPS
Двое физиков предложили использовать GPS-спутники для поиска темной материи, которая, по мнению ученых, может не быть частицами в общепринятом смысле, а скорее потеками в ткани пространства-времени.
«Наше исследование преследует мысль, что темная материя может быть организована как гигантское газоподобное собрание топологических дефектов, или энергетических трещин, - говорит Андрей Деревянко из Университета штата Невада. - Мы предлагаем обнаружить эти дефекты, темную материю, с помощью сети чувствительных атомных часов. Идея состоит в том, что когда часы рассинхронизируются, мы будем знать, что в этом месте прошла темная материя, топологический дефект. По сути, мы планируем использовать GPS-спутники как крупнейший созданный человеком детектор темной материи».
Ученые анализируют данные с 30 GPS-спутников и пытаются с их помощью проверить свою теорию. Если темная материя действительно является газоподобной, Земля будет проходить через нее по мере движения по галактике. Выступая в качестве ветра, клочья темной материи будут сдуваться Землей и ее спутниками, в результате чего GPS-часы на спутниках и на земле будут терять синхронизацию каждые три минуты. Ученые смогут контролировать расхождения до одной миллиардной доли секунды.
Темная материя может питаться темной энергией
Согласно одному из последних исследований, темная энергия может питаться темной материей по мере их взаимодействия, что, в свою очередь, замедляет рост галактик и в конечном итоге может оставить Вселенную чуть ли не совершенно пустой. Вполне возможно, что темная материя распадается на темную энергию, но этого мы пока не знаем. Космический аппарат Планк недавно уточнил цифры физического состава Вселенной: 4,9% обычной материи, 25,9% темной материи и 69,2% темной энергии.
Мы не видим темной материи или темной энергии. Эти термины даже не очень хорошо расписаны научным сообществом. Они больше похожи на условные обозначения, которые будут оставаться, пока мы не поймем, что происходит на самом деле.
Темная материя притягивает, а темная энергия отталкивает. Темная материя является рамой или основой, на которой строятся галактики и их содержание. Ее гравитационное притяжение, как полагают, удерживает звезды вместе в галактиках. Гравитация сильнее, когда объекты находятся ближе друг к другу, и слабее, когда они дальше друг от друга.
С другой стороны, темная энергия означает силу, которая заставляет Вселенную расширяться, разбрасывая галактики прочь. Поскольку темная энергия отталкивает эти объекты, гравитация ослабевает. Это говорит о том, что расширение пространства ускоряется, а не замедляется вследствие гравитационных эффектов, как полагали однажды.
«С конца 1990-х годов астрономы убедились в том, что что-то заставляет расширение нашей Вселенной ускоряться, - говорит профессор Дэвид Вондс из Университета Портсмута. - Простое объяснение состоит в том, что пустой космос - вакуум - обладает энергетической плотностью, которая является космологической постоянной. Тем не менее появляется все больше доказательств того, что эта простая модель не может объяснить полный диапазон астрономических данных, к которым имеют доступ ученые. В частности, разрастание космической структуры, галактик и скоплений галактик происходит медленнее, чем ожидалось».
Темная материя вызывает рябь в галактическом диске
Если смотреть в космос с Земли, мы увидим, что звезды внезапно заканчиваются в 50 000 световых годах от центра нашей галактики. Следовательно, это конец галактики. Мы не увидим ничего серьезного, пока не отойдем на 15 000 световых лет от этой границы, Кольца Единорога, звезд, которые располагаются выше плоскости нашей галактики. Некоторые ученые считали, что эти звезды были оторваны от другой галактики.
Однако новый анализ данных в ходе Sloan Digital Sky Survey показал, что Кольцо Единорога по сути является . Это означает, что Млечный Путь по меньшей мере на 50% больше, чем мы думали - а диаметр нашей галактики увеличивается со 100 000–120 000 световых лет до 150 000–180 000 световых лет.
Глядя с Земли, мы не видим, что они соединяются из-за провалов в галактическом диске. Эта рябь похожа на концентрические круги, которые расходятся от места падения камня в воду. Волна поднимается и закрывает вид океана, остаются видны только более высокие волны. Так что, хотя наша точка зрения была частично заблокирована формой нашей галактики, мы увидели Кольцо Единорога словно вершину высокой волны.
Это открытие меняет наше понимание строения Млечного Пути.
«Мы обнаружили, что диск Млечного Пути - не просто диск звезд в одной плоскости, он гофрирован, - говорит Хайди Ньюберг из Научной школы Ренсселера. - Мы видим по меньшей мере четыре впадины в диске Млечного Пути. И поскольку эти четыре впадины видны только с нашей точки зрения, можно предположить, что подобная рябь имеется по всему диску Млечного Пути».
Ученые полагают, что эта рябь может быть вызвана куском темной материи или карликовой галактики, рассекшей Млечный Путь. Если эта теория окажется верной, концентрические впадины Млечного Пути помогут ученым проанализировать распределение темной материи в нашей галактике.
Гамма-лучевая сигнатура
До недавнего времени единственным способом, с помощью которого ученые могли обнаружить темную материю, было наблюдение его возможного гравитационного воздействия на другие космические объекты. Тем не менее ученые полагают, что гамма-лучи могли бы быть прямым указанием на то, что темная материя прячется в нашей Вселенной. Возможно, они уже обнаружили первую гамма-лучевую сигнатуру в Reticulum 2, недавно обнаруженной карликовой галактике около Млечного Пути.
Гамма-лучи - это форма высокоэнергетического электромагнитного излучения, испускаемого из плотных центров галактик. Если темная материя действительно состоит из вимпов, частицы темной материи могут быть источником гамма-лучей, образующихся в процессе взаимной аннигиляции вимпов при контакте. Тем не менее гамма-лучи также могут выделяться другими источниками вроде черных дыр и пульсаров. Если в процессе анализа получится отделить одни источники от других, мы сможем получить гамма-лучи темной материи. Но это только теория.
Ученые полагают, что в большинстве карликовых галактик недостает важных источников гамма-лучей, на темную материю может приходиться 99%. Потому-то физики из университетов Карнеги-Меллона, Брауна и Кембриджа разволновались в связи с получением гамма-лучей из Reticulum 2.
«Гравитационное обнаружение темной материи может сказать очень немногое о поведении частиц темной материи, - говорит Мэтью Уокер из Университета Карнеги-Меллона. - Теперь у нас есть негравитационное обнаружение, которое демонстрирует, что темная материя ведет себя как частица, и это крайне важно». Конечно, остается возможность, что это гамма-излучение пришло из других источников, которые пока не были определены. Вместе с тем рядом с Млечным Путем дает ученым возможность для дальнейшего исследования этой теории.
По материалам listverse.com
Статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.
Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.
Козьма Прутков
Что будет с нашим миром?
После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.
Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10 -29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 10 30 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.
Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества. В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.
Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.
Свидетельства существования темной материи
Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.
О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.
Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter ») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.
Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.
Фотофакт
Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.
Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5-10% от массы Солнца.
Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10 -29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.
Что это?
Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92-95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.
Барионная темная материя
Небольшая (4-5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.
Небарионная темная материя
В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20-30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.
Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.
Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.
Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс 2 , энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.
Темная энергия
В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.