Пять самых больших вопросов о темной материи

NASA

В 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики в одном из скоплений вращаются вокруг друг друга намного быстрее, чем позволяла им их видимая масса. Он предположил, что на них могла оказывать влияние невидимая субстанция, которую он назвал темной материей.

После этого исследователи подтвердили, что это загадочное вещество распространено по всему космосу, и что его в шесть раз больше, чем обычной материи, из которой формируются планеты и звезды. Тем не менее, несмотря на то, что они знают о существовании темной материи, они до сих пор ломают голову над ее природой.

Самый главный вопрос заключается в том, что из себя представляет темная материя? Даже сегодня, спустя многие десятилетия после первой гипотезы о существовании этого вещества, ученые не уверены, что у них есть ответ. Изначально некоторые астрономы предполагали, что недостающую массу во Вселенной составляли маленькие слабые звезды и черные дыры, хотя подробные наблюдения не позволили найти такие объекты, чтобы объяснить влияние темной материи. В настоящее время основным претендентом на роль главной частицы, из которой она состоит, является гипотетическая слабо взаимодействующая частица под названием вимп, которая будет вести себя как нейтрон, но весить в 10-100 раз тяжелее протона. Тем не менее, эта гипотеза привела только к еще большему количеству вопросов.

Например, можно ли обнаружить темную материю? Если отталкиваться от того, что она состоит из частиц вимп, то материя должна быть вокруг нас, причем неважно, невидимая она или едва различимая. Так почему же мы еще ее не нашли? Хотя эти частицы не будут сильно взаимодействовать с обычной материей, всегда есть небольшая вероятность того, что вимп может столкнуться с обычной частицей, такой как протон или электрон, пока она путешествует в пространстве. Исследователи проводили эксперимент за экспериментом для изучения огромного количества обычных частиц глубоко под землей, где они защищены от мешающего излучения, которое может имитировать столкновение темной материи с частицами. После десятилетий поиска ни один из этих детекторов не сделал заслуживающего доверия открытия. Последний раз заявление о том, что вимп не обнаружена, сделали в прошлом году китайские ученые по окончании эксперимента PandaX. Похоже, что частицы темной материи намного меньше, чем частицы вимп, или не обладают свойствами, которые облегчили бы их изучение, считает физик Хай-Бо Ю из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Тогда возникает другой вопрос - каковы же свойства темной материи? Астрономы обнаружили ее благодаря гравитационному взаимодействию с обычной материей, предполагая, что это ее основной способ заявить о своем присутствии во Вселенной. Но, пытаясь понять истинную природу темной материи, исследователи удивительно мало что могут сделать. Согласно некоторым теориям, частицы темной материи должны быть и античастицами, что означает, что две частицы темной материи будут аннигилировать друг с другом, когда встретятся. В ходе эксперимента с альфа-магнитным спектрометром (AMS), установленного на МКС, ученые с 2011 года ищут явные признаки этого уничтожения и уже обнаружил сотни тысяч событий. Однако они до сих пор не уверены, что все эти явления происходят из темной материи.

С другой стороны, может ли быть, что она существует не в каждой галактике? Поскольку темное вещество перевешивает обычную материю, часто говорят, что темная материя является главной силой, которая организует большие космические структуры, такие как галактики и скопления галактик. Потому особенно интересно прозвучало заявление астрономов, сделанное в начале 2018 года, о том, что найдена галактика NGC 1052-DF2, которая, похоже, почти не содержит темного вещества. «Темная материя, по-видимому, не является обязательным условием для формирования галактики», - пояснил тогда Питер ван Доккум из Йельского университета. Однако летом другая команда исследователей опубликовала анализ, согласно которому команда ван Доккума неправильно измерила расстояние до галактики, а это означает, что ее видимая материя была намного тусклее и легче, чем показалось в начале, и что большая часть ее массы заключалась именно в темной материи.

Учитывая трудности, с которыми столкнулись ученые, пытаясь обнаружить и объяснить темную материю, возникает еще один вопрос - существует ли это вещество вообще? В течение многих лет некоторые физики упорно выдвигали гипотезу о том, что, возможно, наши теории о гравитации просто неверны, и что фундаментальная сила работает в больших масштабах иначе, чем мы предполагаем. Согласно этим предположениям, которые часто называют «модифицированной ньютоновской динамикой» или моделями MOND, темной материи на самом деле нет, а сверхбыстрая скорость, с которой звезды и галактики вращаются вокруг друг друга, является следствием удивительного поведения гравитации. «Темная материя — это все еще неподтвержденная модель», - рассказал физик Дон Линкольн Live Science. Тем не менее, отрицающим ее существование физикам еще предстоит убедить в своей правоте подавляющее большинство ученых. Что касается последних доказательств, они также говорят о том, что она существует.

Материал подготовила Татьяна Артюхова

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: