Все что нужно знать о темной материи

Темная материя — странный предмет: вроде бы есть, а вроде бы нет. Это гипотетическая форма вещества, о которой все знают, на которой строятся многие теории — но которую никто не видел. Тем не менее, согласно подсчетам, темная материя составляет до 27% Вселенной, в то время как барионное вещество — то, из чего состоит привычный нам материальный мир — всего 4%.  Кроме темной материи существует темная энергия — вид энергии, введенный для объяснения расширения и ускорения нашей Вселенной. Эта энергия равномерно заполняет пространство и составляет 68.3% Вселенной. 

Темная материя не испускает электромагнитных волн и не взаимодействует с ними напрямую. Поэтому никто не может ее пронаблюдать. Даже название "темная" некорректно: эта субстанция не имеет цвета и других привычных нам характеристик. Тем не менее, она не витает где-то в далеком космосе, а находится вокруг нас.

С чего тогда взяли, что она существует?

Догадались по косвенным признакам. Доказательством существования темной материи является ее масса, которая оказывает гравитационное влияние на материю.

Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники движутся вокруг центра. Их скорости оказались гораздо больше чем можно было бы предположить, исходя из того, что галактики состоят только из звезд, планет и газа — значит, истинная масса галактик гораздо выше. Термин "скрытая масса" по отношению к темной материи надолго прижился в физике.

В туманности Андромеды скорость вращения звёзд вокруг центра не уменьшается, как предсказывает небесная механика, обратно пропорционально квадратному корню расстояния до центра, а остается почти постоянной. Значит, должно существовать нечто, равномерно заполняющее  эту галактику и влияющее на движение звезд. Ученые сумели рассчитать общую массу видимой Вселенной, а также показатели гравитационных сил. В ходе расчетов они отметили существенный дисбаланс в этих параметрах. Это навело ученых на мысль о том, что существует некая невидимая материя, обладающая определенной массой и также подверженная воздействию гравитации.

Также темная материя может повлиять на траекторию распространения света. Плотные объекты способны отражать свет дальних объектов, изменяя его путь. Изображение звезд и галактик искажается, возникают космические миражи. Этот феномен называется гравитационным линзированием, и с его помощью была получена карта распределения невидимой материи в трехмерном пространстве.

Из чего состоит темная материя?

Ученые до сих пор ломают копья в попытках ответить на этот вопрос.

Темная материя может быть обычным барионным веществом, которое не отражает свет по каким-то причинам. Но если бы она вся состояла из барионов, тогда соотношение элементов, возникших после Большого взрыва, было бы иным. Поэтому ученые склоняются к тому, что темная материя существует в нескольких формах. Помимо барионов, занимающих, по оценкам ученых, незначительную долю темной материи, она может состоять из нейтрино (0,3%) и слабовзаимодействующих элементарных частиц — вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). Из четырёх фундаментальных взаимодействий вимпы участвуют только в слабом и гравитационном. Поэтому их очень трудно обнаружить экспериментально. Хотя шансы на взаимодействие с обычным атомом присутствуют, они очень малы. Дорогостоящие установки много лет пытаются зарегистрировать сигнал — пока это безрезультатно.

Сколько весит темная материя?

Масса вимпа должна быть, согласно расчетам, в десятки раз больше массы протона, равной 1 ГэВ.

Каковы свойства темной материи?

Темная материя должна обладать следующими свойствами:

• не испускает электромагнитного излучения
• участвует в гравитационном взаимодействии
• частицы темной материи обладают большой массой (WIMP)
• нерелятивистская (ее частицы движутся очень медленно)
•  может аннигилировать и распадаться, образуя всевозможные частицы и античастицы
•  практически не испытывает столкновений с обычной материей

Какая бывает темная материя?

Темную материю делят на горячую, холодную и тёплую. Эта классификация основана на предположении, что темная материя перестала взаимодействовать с барионным веществом в определенный момент эволюции Вселенной. Принадлежность темной материи к одному из классов зависит от того, при какой температуре это произошло. С точки зрения космологии, наиболее предпочтительна холодная темная материя, так как она, в отличие от двух других типов, не препятствует образованию крупномасштабных структур вроде галактик.

Как найти темную материю?

Предполагается, что наша Солнечная система, двигаясь вокруг центра нашей галактики Млечный путь, попадает в поток вимпов. Слабая вероятность зарегистрировать взаимодействие вимпа и обычного атома существует. Поэтому дорогостоящие и сложные установки пытаются поймать сигнал. Для этого берется тяжелый благородный газ, тщательно очищается, закупоривается и помещается под землю, а фотоэлементы фиксируют происходящее — ученым остается лишь терпеливо ждать.  В 2011 году установка в итальянской лаборатории Гран-Сассо поймала целых три сигнала, которые, как впоследствии выяснилось, были паразитными. 

Еще одна идея заключается в том, что при столкновении вимпы и обычные атомы могут выдать поток нейтрино. Подземные и подводные нейтринные детекторы (установки в лаборатории Гран-Сассо, NT-200, расположенный на дне озера Байкал, SuperKamiokande и AMANDA, установленные на Южном полюсе), пытаются зафиксировать избыточные нейтрино, но положительных результатов пока не было?.

Поиск темной материи ведется также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс2, энергия эквивалентна массе. Ускорив частицу до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения других частиц и античастиц, суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Однако и эти эксперименты пока ничего не дали. 

Кроме того, есть гипотеза о существовании так называемых аксионов — это тоже вимпы, которые нарушают временную симметрию. Их можно легко зафиксировать. Однако проблема в том, что установки, которые могли бы это сделать, очень дорогостоящие, да и широкой поддержки эта гипотеза не встречает.

Найдут эту материю — и что?

Ученые смогут ответить на множество важных вопросов о Вселенной. Один из наиболее очевидных — что происходило через одну миллиардную секунды после Большого взрыва?

Но даже если ученые увидят  темную материю, это не будет означать полного понимания механизмов Вселенной. Вспомним, что большую часть нашего мира составляет темная энергия, которая является еще более странным феноменом, чем невидимая материя.