Что такое темная материя?

Справочная статья: Факты о темной материи.

Примерно 80% массы Вселенной состоит из материала, который ученые не могут наблюдать напрямую. Этот причудливый ингредиент, известный как темная материя, не излучает ни света, ни энергии. Так почему же ученые считают, что она доминирует?

По крайней мере, с 1920-х годов астрономы выдвинули гипотезу о том, что во Вселенной содержится больше материи, чем видно невооруженным глазом. С тех пор число сторонников темной материи возросло, и, хотя не было обнаружено убедительных прямых доказательств существования темной материи, в последние годы появились большие возможности.

«Движение звезд говорит вам, сколько существует материи», — заявил в своем заявлении Питер ван Доккум, исследователь из Йельского университета. «Им все равно, в какой форме материя, они просто говорят вам, что она есть». Ван Доккум возглавил команду, идентифицировавшую галактику Dragonfly 44, которая почти полностью состоит из темной материи.

Знакомый материал Вселенной, известный как барионная материя, состоит из протонов, нейтронов и электронов. Темная материя может состоять из барионной или небарионной материи. Чтобы удерживать элементы Вселенной вместе, темная материя должна составлять примерно 80% процентов Вселенной. Пропавшую материю может быть просто сложнее обнаружить, поскольку она состоит из обычной барионной материи.

Потенциальные кандидаты включают тусклые коричневые карлики, белые карлики и нейтронные звезды. Сверхмассивные черные дыры также могут быть частью разницы. Но эти трудно обнаруживаемые объекты должны были бы играть более доминирующую роль, чем наблюдают ученые, чтобы восполнить недостающую массу, в то время как другие элементы предполагают, что темная материя более экзотична.

Большинство ученых считают, что темная материя состоит из небарионной материи. Главный кандидат, WIMPS (слабо взаимодействующие массивные частицы), имеет массу от десяти до ста раз больше массы протона, но их слабые взаимодействия с «нормальным» веществом затрудняют их обнаружение. Нейтралино, массивные гипотетические частицы, более тяжелые и более медленные, чем нейтрино, являются главными кандидатами, хотя их еще предстоит обнаружить.

Стерильные нейтрино — еще один кандидат. Нейтрино — это частицы, которые не составляют обычную материю. Река нейтрино течет от солнца, но поскольку они редко взаимодействуют с обычной материей, они проходят сквозь Землю и ее обитателей. Есть три известных типа нейтрино; четвертый, стерильное нейтрино, предлагается в качестве кандидата на темную материю. Стерильное нейтрино будет взаимодействовать с обычной материей только посредством гравитации.

Темная материя, по-видимому, распространяется по космосу в виде сети, при этом скопления галактик формируются в узлах, где пересекаются волокна. 
Подтвердив, что гравитация действует одинаково как внутри, так и за пределами нашей Солнечной системы, исследователи предоставили дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии.  (Изображение предоставлено WGBH)

«Один из нерешенных вопросов заключается в том, существует ли закономерность для фракций, которые входят в каждый вид нейтрино», — сказал Тайс ДеЯнг, адъюнкт-профессор физики и астрономии в Мичиганском государственном университете и участник эксперимента IceCube.

Меньший нейтральный аксион и незаряженные фотино — обе теоретические частицы — также являются потенциальными заполнителями для темной материи.

Согласно заявлению Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии (LNGS), «несколько астрономических измерений подтвердили существование темной материи, что привело к всемирным усилиям по наблюдению непосредственного взаимодействия частиц темной материи с обычной материей с помощью чрезвычайно чувствительных детекторов». что подтвердит его существование и прольет свет на его свойства. Однако эти взаимодействия настолько слабы, что до сих пор ускользали от прямого обнаружения, что вынуждает ученых строить детекторы, которые становятся все более и более чувствительными».

Или, возможно, законы гравитации, которые до сих пор успешно описывали движение объектов в Солнечной системе, требуют пересмотра.

Эти иллюстрации, взятые из компьютерного моделирования, показывают рой сгустков темной материи вокруг нашей галактики Млечный Путь. 
Изображение опубликовано 10 июля 2012 г. (Изображение предоставлено Дж. Тумлинсоном (STScI))

Откуда мы знаем, что темная материя существует?

Если ученые не могут видеть темную материю, откуда они знают, что она существует?

Ученые рассчитывают массу крупных объектов в космосе, изучая их движение. Астрономы, изучавшие спиральные галактики в 1970-х годах, ожидали увидеть вещество в центре, движущееся быстрее, чем на внешних краях. Вместо этого они обнаружили, что звезды в обоих местах движутся с одинаковой скоростью, что указывает на то, что галактики содержат больше массы, чем можно было увидеть. Исследования газа в эллиптических галактиках также указали на потребность в большей массе, чем у видимых объектов. Скопления галактик разлетелись бы на части, если бы единственная содержащаяся в них масса была видна обычным астрономическим измерениям.

Альберт Эйнштейн показал, что массивные объекты во Вселенной искривляют и искажают свет, что позволяет использовать их в качестве линз. Изучая, как свет искажается скоплениями галактик, астрономы смогли создать карту темной материи во Вселенной.

Все эти методы убедительно указывают на то, что большая часть материи во Вселенной является чем-то еще невидимым.

Исследование темной материи

Хотя темная материя отличается от обычной материи, существует ряд экспериментов, направленных на обнаружение необычного материала.

Альфа — магнитный спектрометр (AMS), чувствительный детектор частиц на Международной космической станции, работает с момента его установки в 2011 году.

На сегодняшний день AMS отследила более 100 миллиардов попаданий космических лучей в свои детекторы, сообщил Space.com. ведущий научный сотрудник AMS Сэмюэл Тинг, лауреат Нобелевской премии из Массачусетского технологического института.

«Мы измерили избыток позитронов [аналог антиматерии электрону], и этот избыток может исходить от темной материи. Но на данный момент нам все еще нужно больше данных, чтобы убедиться, что это от темной материи, а не от какой-то странной астрофизики, других источников», — сказал Тинг. «Это потребует от нас еще нескольких лет работы».

Тем временем на Земле, глубоко под землей в Италии, XENON1T LNGS ищет признаки взаимодействия после столкновения вимпов с атомами ксенона. Недавно лаборатория опубликовала первые результаты эксперимента.

«С XENON1T только что начался новый этап в гонке за обнаружением темной материи с помощью массивных детекторов со сверхнизким фоном на Земле», — заявила представитель проекта Елена Априле, профессор Колумбийского университета. «Мы гордимся тем, что находимся в авангарде гонки с этим удивительным детектором, первым в своем роде».

Большой подземный ксеноновый эксперимент с темной материей (LUX), расположенный на золотом руднике в Южной Дакоте, также охотится за признаками взаимодействия вимпов и ксенона. Но до сих пор прибор не раскрыл загадочную материю.

«Хотя положительный сигнал был бы желанным, природа была не так добра!» , — об этом говорится в заявлении Чам Гага, физика из Университетского колледжа Лондона и сотрудника LUX. «Тем не менее, нулевой результат имеет большое значение, поскольку он меняет ландшафт поля, ограничивая модели того, чем может быть темная материя помимо всего, что существовало ранее».

На иллюстрации этого художника, основанной на реальном изображении лаборатории IceCube на Южном полюсе, отдаленный источник испускает нейтрино, которые обнаруживаются датчиками IceCube подо льдом. (Изображение предоставлено IceCube/NSF)

Нейтринная обсерватория IceCube, эксперимент, погребенный подо льдом Антарктиды, охотится за стерильными нейтрино. Стерильные нейтрино взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации, что делает ее сильным кандидатом на темную материю.

Другие инструменты охотятся за эффектами темной материи. Космический корабль Планк  Европейского космического агентства строит карту Вселенной с момента своего запуска в 2009 году. Наблюдая за взаимодействием массы Вселенной, космический корабль может исследовать как темную материю, так и ее партнера, темную энергию.

В 2014 году космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» составил карты сердца Млечного Пути в гамма-излучении, выявив избыток гамма-излучения, исходящего от его ядра.

«Сигнал, который мы находим, не может быть объяснен предлагаемыми в настоящее время альтернативами, и он близко согласуется с предсказаниями очень простых моделей темной материи», — сказал Space.com. ведущий автор Дэн Хупер, астрофизик из Фермилаб в Иллинойсе.

По словам исследователей, это превышение можно объяснить аннигиляцией частиц темной материи с массой от 31 до 40 миллиардов электрон-вольт. Результат сам по себе недостаточен, чтобы считаться неопровержимым доказательством темной материи. Для подтверждения интерпретации потребуются дополнительные данные из других проектов наблюдений или экспериментов по прямому обнаружению.

Астрономы знают больше о том, чем темная материя не является, чем о том, чем она является на самом деле.  (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, художником по инфографике Space.com)

Темная материя против темной энергии

Хотя темная материя составляет большую часть материи Вселенной, она составляет лишь около четверти всего состава Вселенной. В энергии Вселенной преобладает темная энергия.

После Большого взрыва Вселенная начала расширяться вовне. Ученые когда-то думали, что в конечном итоге у него закончится энергия, и он замедлится, когда гравитация сблизит объекты внутри него. Но исследования далеких сверхновых показали, что Вселенная сегодня расширяется быстрее, чем в прошлом, а не медленнее, что указывает на то, что расширение ускоряется. Это было бы возможно только в том случае, если бы во Вселенной было достаточно энергии для преодоления гравитации — темной энергии.

Дополнительные ресурсы: 

Сергей Бородаенко
5 1 голос
Рейтинг статьи
Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии

Наука и астрономия

Какое самое холодное место во Вселенной?

Самое холодное место во Вселенной — минус 237,59 °C: более чем в три раза холоднее, чем в самом холодном месте на Земле.

Подробнее
Наука и астрономия

Что такое Теория Большого Взрыва?

Теория Большого Взрыва — это наше лучшее предположение о том, как возникла Вселенная.

Подробнее
Наука и астрономия

Наша расширяющаяся Вселенная: возраст, история и другие факты

Эволюция и содержание нашей расширяющейся вселенной

Подробнее
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Яндекс.Метрика