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.
Существование тёмной материи и тёмной энергии подтверждено последними измерениями, выполненными на Южном полюсе телескопом QUEST. Информация о них сохранилась в излучении, оставшемся со времён Большого Взрыва.
Международная группа исследователей из , Великобритании и Ирландии показала, что оставшееся со времён Большого Взрыва излучение хранит информацию о материи, невидимой и недоступной для прямого наблюдения. Тёмная материя и тёмная энергия составляют свыше 90% массы Вселенной. Об их свойствах известно немного: частицы тёмной материи до сих пор не удалось зарегистрировать детекторами и потому любые дополнительные данные представляют для физиков особую ценность. Группа учёных, работавшая над проектом QUAD и представившая свои результаты в журнале «The Astrophysical Journal», смогла получить ещё одно свидетельство того, что невидимая и открытая лишь в 1990-х годах часть Вселенной – это не просто смелая гипотеза.
Тёмную материю не видно, она не регистрируется детекторами, обнаружена лишь по гравитационному воздействию на движение звёзд и скоплениям раскалённого газа. Тёмной материи в 5,5 раза больше, чем обычного вещества, и её не стоит путать с двумя другими сущностями – невидимым в видимом свете, но заметным в инфракрасные телескопы газом и тёмной энергией. Тёмная энергия – это пока что загадочная сила, которая обеспечивает расширение Вселенной с ускорением. Её поведение похоже на поведение вещества, которое вместо притяжения за счёт гравитации создаёт отталкивание, своего рода антигравитацию.
Эхо от рождения Вселенной
Телескоп, установленный в обсерватории на Южном полюсе, исследователи не нацеливали специально на звёзды, планеты или галактику. При помощи инструмента было организовано наблюдение, казалось бы, за совершенно пустым небом, которое, тем не менее, имеет излучение. Излучение, приходящее в буквальном смысле, из ниоткуда. Микроволны, которые порождает вовсе не конкретное небесное тело и которые равномерно приходят со всех сторон. Как это загадочное излучение связано с и энергией?
Излучение и есть та самая вспышка, которая сопровождала Большой Взрыв. Из-за расширения Вселенной его интенсивность снизилась, а энергия отдельных квантов уменьшилась. Тем не менее, излучение, называемое учёными реликтовым, никуда не делось. Небо остывало, на смену палящим со всех сторон гамма-лучам приходили рентген, потом ультрафиолет, видимый свет и через 13 млрд. лет микроволны. Вспышка, которая предшествовала всему, видна до сих пор – ещё в 1965 году подтвердили её экспериментально.
Эхо былого
А раз до сих пор можно увидеть (пусть и при помощи приборов) вспышку Большого Взрыва, значит и о рождении Вселенной можно попытаться узнать что-то новое. Знание о том, как меняется яркость реликтового излучения в разных направлениях, уже подтвердило догадку учёных о неравномерном разлёте первой материи в разные стороны, а измерение энергии излучения позволило уточнить возраст Вселенной.
Микроволны, как и видимый свет, наряду с интенсивностью и длиной волны («цветом») имеют еще такой параметр, как поляризация. Поляризация – это величина, показывающая, как волна ориентирована в пространстве. В большинстве случаев она хаотична: волны солнечного света, например, колеблются в самых разных плоскостях, и некоторое упорядочивание их возникает лишь при прохождении через определённые вещества или при отражении под углом от полированных поверхностей.
Эффект поляризации, или пропускание веществом волн только в определённой плоскости, использовали химики и материаловеды. Теперь его применили и астрономы, причём не для обычной материи, а для тёмной. При помощи антарктического телескопа была составлена карта Южного полушария неба, на которой учёные отметили поляризацию излучения.
Направление для исследований
То, как поляризовано реликтовое излучение, в свою очередь сообщает о том, как двигалась материя после Большого Взрыва. Исследователи в своей статье поясняют, что при взаимодействии с движущейся излучение приобретало поляризацию, причём направление поляризации зависело от того, под каким углом двигалась материя. Карта, составленная группой QUAD, возможно, и не даёт абсолютно точной картины распределения тёмной материи, но, как минимум, серьёзно ограничивает количество новых теорий.
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.
Тёмная материя Вселенной — никто её не видел, не измерил, никто не знает что это такое, но на существовании тёмной материи настаивает львиная доля физиков и астрофизиков. Потому что без существования тёмной материи у астрофизиков не получается объяснить множество процессов во Вселенной.
То есть, либо тёмная материя есть, либо наша Вселенная устроена совсем иначе и надо пересматривать физические теории. Естественно, учёным астрономам удобнее принять, что тёмная материя существует. Во-первых так удобнее с точки зрения математики. Во-вторых, академикам не надо признавать своих просчётов. Но, я не об этом… 🙂
Правы ли бунтари, которые опровергают существование тёмной материи — время покажет. Лично меня радует то, что исследования не стоят на месте, а физические теории не превратились в догмы. Потому что очень хочется всё-же увидеть прорыв в том застое, который наблюдается в фундаментальной науке последние лет пятьдесят… ни подпространственных прыжков, ни машины времени… 🙂
Вот и сейчас, просматривая ленту , мне на глаза попались сразу два независимых сообщения на тему опровержения существования тёмной материи.
Астрономы из Санкт-Петербурга Николай и Елена Питьевы проанализировали данные 677 тысяч измерений движений тел Солнечной системы за последние 100 лет. Это данные измерений как с поверхности Земли, так и с космических аппаратов. Изучалось движение планет, их крупнейших спутников и траектории 301 астероида. Согласно выводам петербургских астрономов, тёмная материя не оказывает влияния на движение изученных тел Солнечной системы. По крайней мере, это влияние не выходит за рамки погрешностей измерений и вычислений.
Насколько я понял, такие отклонения обязаны быть, если сравнить измеренные траектории этих тел с теми траекториями, которые должны были быть у этих тел на основании только их массы и скорости, то есть без учёта влияния тёмной материи.
Официально статья пока не опубликована, но уже есть препринты и она принята для публикации в «Письмах в Астрономический журнал».
Вторая работа сделана астрономом доктором Хонгшенг Чжао (Hongsheng Zhao) из Университета Сент-Эндрюс. Он применил модифицированную теорию гравитации MOND к движению нашей галактики Млечный Путь с её спутниками и галактики . MOND предложена в 1983 году Мордехаем Милгромом из Института Вейцмана и описывает поведение гравитации в больших масштабах иначе, нежели это должно быть по теориям Ньютона и Эйнштейна. До сих пор не было убедительных доказательств её правильности.
Согласно исследованиям доктора Чжао, эти две галактики столкнулись не три миллиарда лет назад, как предполагают астрономы, а гораздо раньше — десять миллиардов лет назад. Если бы классические теории Ньютона и Эйнштейна были верны, то галактики уже в то время слились бы в одну супергалактику, а не разлетелись бы в стороны после столкновения.
Если предположить, что тёмной материи не существует
, то согласно его исследованиям, становится понятно, почему наши галактики столкнулись и разлетелись вновь, разбросав в стороны свои «осколки» в виде карликовых галактик-спутников. Огромная масса тёмной материи склеила бы наши галактики в одну и не дала бы им разлететься.
Кстати, классические теории не могут объяснить и странности в распределении карликовых галактик-спутников вокруг Млечного Пути и Андромеды.
Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть 74% всей Вселенной приходится на загадочную тёмную энергию, а 26,8% массы во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные тёмной материей.
Эта странная и необычная концепция тёмной материи была предложена в попытке пояснения необъяснимых астрономических явлений. Так о существовании некой мощной энергии, настолько плотной и массивной - её в пять раз больше, чем обычного вещества материи, из которой состоит наш мир, состоим мы, учёные заговорили после обнаружения непонятных явлений в гравитации звезд и формирования Вселенной.
Откуда появилась концепция тёмной материи?
Так, звёзды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство, как апельсины из опрокинувшейся корзины, но они не делают это. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими нашими способами.
Еще интересное подтверждение о существовании некой темной материи учёные получили из исследований космического микроволнового фона. Они показали, что после Большого взрыва материя в самом начале была однородна распространена в пространстве, но в некоторых местах её плотность была несколько выше, чем в среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, в отличие от тех, которые их окружали, и при этом, притягивая к себе материю, они становились ещё плотней и массивней. Весь этот процесс должен был быть слишком медленным, чтобы за всего 13,8 млрд лет, (а это возраст Вселенной), сформировать крупные галактики, в том числе наш Млечный путь.
Таким образом, остается предположить, что ускоряет темп развития галактик, наличие достаточного для этого количества темной материи с её дополнительной гравитацией, значительно ускоряющей этот процесс.
Какая она - тёмная материя?
Одна из центральных идей, что чёрная материя состоит из ещё не открытых субатомных частиц. Что это за частицы и кто претендует на эту роль, кандидатов много.
Предполагается, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы имеют название WIMP (или просто вимпы). Самый легкий и при этом стабильный суперпартнер - нейтралино. Вот он, то и является наиболее вероятным кандидатом на роль веществ темной материи.
На данный момент попытки получить нейтралино или хотя бы схожую или вовсе другую частицу тёмной материи к успеху не привели. Пробы получения нейтралино предпринимались на сверхвысокоэнергичных столкновениях на получившем известность и разную оценку Большом адронном коллайдере. В будущем эксперименты будут проводиться с ещё большими энергиями столкновений, но и это не гарантирует, что будет обнаружены хоть какие-то модели тёмной материи.
Как говорит Мэттью Маккалоу (из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института) - "Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц, а если тёмная материя тоже сложная?". По его теории, гипотетически тёмная материя может взаимодействовать сама с собой, но при этом игнорировать обычную материю. Именно поэтому мы и не можем заметить и как-то зарегистрировать её присутствие.
(Карта космического микроволнового фонового излучения (CMB), сделанному Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) )
Наша галактика Млечный путь состоит из огромных масштабов сферического вращающегося облака тёмной материи, в нём подмешано небольшое количество обычной материи, которая сжимается под действием гравитации. Быстрее это происходит между полюсами, не так, как в области экватора. Как результат, наша галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звёзд и погружается в сфероидальное облако тёмной материи.
Теории существования тёмной материи
Для объяснения природы недостающей массы во Вселенной выдвигались различные теории, так или иначе, говорящие о существовании тёмной материи. Вот некоторые из них:
- Гравитационное притяжение обычной регистрируемой материи во Вселенной не может объяснить странное движение звезд в галактиках, там где во внешних областях спиральных галактик звёзды обращаются настолько быстро, что должны были бы просто вылететь в межзвездное пространство. Что же их удерживает, если это невозможно зафиксировать.
- Существующая тёмная материя превосходит обычную материю Вселенной в 5,5 раз и только её дополнительная гравитация может объяснить нехарактерные движения звезд в спиральных галактиках.
- Возможные частицы тёмной материи вимпы (WIMP), они слабовзаимодействющие массивные частицы при этом сверрхтяжёлые суперсимметричные партнеры субатомных частиц. В теории существует свыше трёх пространственных измерений, недоступных для нас. Сложность в том, так как же их зарегистрировать, когда дополнительные измерения по теории Калуцы - Клейна оказываются для нас недоступными.
Возможно, ли зарегистрировать тёмную материю?
Сквозь Землю пролетают огромные количества частиц тёмной материи, но так как тёмная материя не взаимодействует, а если и есть взаимодействие то крайне слабое, практически нулевое, с обычной материей, то в большинстве экспериментов значительных результатов получено не было.
Тем не менее попытки зарегистрировать присутствие темной материи пробуются в экспериментах столкновения различных атомных ядер (кремния, ксенона, фтора, иода и других) в надежде увидеть отдачу от частицы тёмной материи.
В нейтринной астрономической обсерватории на станции Амундсена - Скотта с интересным названием IceCube проводятся исследования по обнаружению высокоэнергетичных нейтрино, рожденных за пределами Солнечной системы.
Здесь на Южном полюсе, где температура за бортом до -80 °C, на глубине 2,4 км подо льдом установлена высокоточная электроника, обеспечивающая непрерывный процесс наблюдения за загадочными процессами Вселенной, происходящими за гранью обычной материи. Пока это только попытки приблизится к отгадке глубочайших тайн Вселенной, но некоторые успехи уже есть, такие, как историческое открытие 28 нейтрино.
Итак. Невероятно интересно что, Вселенная, состоящая из тёмной материи, недоступной для видимого изучения нами, может оказаться во много раз сложнее устройства нашей Вселенной. А быть может, Вселенная из тёмной материи значительно превосходит нашу и именно там происходят все важные дела, отголоски которых мы пытаемся видеть в нашей обыкновенной материи, но это уже переходит в область научной фантастики.
