Почему темная материя остается такой таинственной даже для современной науки

Почему темная материя остается такой таинственной даже для современной науки?

Для того чтобы знать, что нечто существует, видеть его необязательно. Так когда-то по гравитационному влиянию на движение Урана были открыты Нептун и Плутон, а сегодня ведется поиск гипотетической Планеты Икс на дальних окраинах Солнечной системы. Но как быть, если такое влияние мы обнаруживаем повсюду во Вселенной? Взять хотя бы галактики. Казалось бы, если галактический диск вращается, то скорость звезд должна уменьшаться с ростом орбиты. Именно так, например, обстоит дело с планетами Солнечной системы: Земля несется вокруг Солнца на 29,8 км/с, а Плутон – на 4,7 км/с. Однако уже в 1930-х наблюдения за туманностью Андромеды показали, что скорость вращения ее звезд остается почти постоянной, как бы далеко на периферии они ни находились. Такая ситуация типична для галактик, и в числе других причин она привела к появлению концепции темной материи.

Очень темные дела

Еще в 1884 году лорд Кельвин обратил внимание на странный факт: звезды во внешних областях диска нашей Галактики вращаются вокруг ее центра куда быстрее, чем должны были бы, судя по расчетам. Такое возможно, если их «раскручивает» гравитация какой-то массы, лежащей еще дальше, там, где кончаются звезды и начинается межгалактическое пространство. Но что лежит там, где кончаются звезды, понять не удавалось. Известнейший французский математик Анри Пуанкаре, обсуждая этот вывод Кельвина, в 1906 году впервые употребил словосочетание «темная материя». Последующие сто лет подтвердили: практически во всех наблюдаемых галактиках картина та же.

Читать еще:  Комета 67P Чурюмова-Герасименко.

Гипотез о том, что именно составляет темную массу, было много, но большинство из них плохо совместимо с наблюдаемой Вселенной. Со временем была выбрана одна — о «холодной темной материи», теоретически состоящей из массивных частиц (вимпов), не взаимодействующих с фотонами света. Причем в такой гипотезе масса вимпов должна быть в несколько раз больше, чем всего обычного, барионного, вещества. Это хорошо объясняло и невидимость темной материи, и ее мощное воздействие на галактические диски.

При всех позитивных свойствах вимпов у них есть и существенный недостаток: их оказалось абсолютно невозможно найти в экспериментах. Крупные и дорогие ускорители давно показали: если такие частицы и есть, то их размер так мал, что обнаружить их по влиянию на другие частицы нереально. Сечение вимпов, согласно таким экспериментам, не может быть заметно больше 10 — 45 метра, что на десять порядков меньше планковской длины. А планковская длина — это вообще предел расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины перестают иметь какой-либо смысл. Любая попытка исследовать меньший по размеру объект (менее 1,6⋅ 10 — 35 метров) потребует столкновения частиц высоких энергий, что неизбежно закончится рождением черной дыры: вместо того чтобы дробить частицы на более мелкие кусочки, это приведет к «слипанию» частиц в ничтожно малую ЧД. А жаль — вимпы выглядели отличной, логичной гипотезой.

Сходная история случилась и с темной энергией. Есть два хороших способа измерения расстояния до галактик: по закону Хаббла (расстояние пропорционально красному смещению, удлинению световых волн, дошедших до нас от далекой галактики) и по «стандартным свечам», сверхновым типа Ia. Такие сверхновые в теории взрываются при достижении одной и той же пороговой массы, то есть их яркость практически одинакова. Глядя на их видимую нам яркость и соотнося ее с положенной такой сверхновой энергией взрыва (прямо связанной с массой), легко высчитать, каково же расстояние до далекой галактики. Но два эти способа, как оказалось, дают противоречащие друг другу результаты. В удаленных галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже «положенной»! То есть каким-то образом расстояние, которое прошли фотоны от вспышек этих сверхновых, оказалось больше, чем должно быть, — как будто пространство между нами растянулось, и вместе с ним растянулись (став «краснее», то есть длиннее) и световые волны от этих вспышек. Эти наблюдения интерпретировали как ускоряющееся расширение Вселенной, и за это открытие успешно дали Нобелевскую премию.

Читать еще:  Массивное гравитационное притяжение Юпитера может помочь нам найти инопланетные миры

Осталось выяснить сущую малость: что именно растягивает пространство-время и заставляет Вселенную двигаться с ускорением. В настоящий момент считается, что это некая расталкивающая все и вся темная энергия с плотностью порядка 10 — 29 г/см³. Но при такой плотности обнаружить ее в эксперименте не приходится и мечтать. Как же изучать то, что в лаборатории изучать нельзя? Правильно, чисто теоретически. Все попытки ограничить свойства темной энергии наблюдением за крупными структурами Вселенной пока не дали серьезных результатов. Поэтому ее считают то энергией вакуума, то частицеподобным возбуждением некоего динамического скалярного поля («квинтэссенция»), то чем угодно еще. Однако, когда от гипотез переходят к расчетам, получается один сумбур. Если темная энергия суть энергия вакуума (наименее сложная гипотеза), то ее должна предсказывать квантовая теория поля. Но значение энергии вакуума, которое она предсказывает, на 120 порядков больше, чем то, что следует из наблюдений за ускоряющимся расширением Вселенной. Это настолько большой разрыв, что даже обсуждать здесь нечего: такое объяснение выглядит нереалистично.

Подозреваемый №5: холодная темная материя

Гипотеза с холодной темной материей на сегодняшний день является самой распространенной в ученом сообществе. Гипотетические частицы холодной темной материи подразделяются на две категории — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISPs — weakly interacting slim particles). WIMPs — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона) и так далее. Существование одного из главных претендентов на роль WISP — аксионоподобной частицы (ALP) — опровергли недавние наблюдения орбитального гамма-телескопа FERMI/LAT.

Читать еще:  Что такое антивещество

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 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 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.

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector