Темная история. 11 фундаментальных вопросов о самой неуловимой материи во Вселенной

Фото: E R Fuller/National Science Foundation

Ученые видят влияние темной материи по всей Вселенной, но все еще не уверены в достоверности ее существования.

Паутина темной материи

В 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики в отдаленном скоплении вращаются друг вокруг друга гораздо быстрее, чем следовало, учитывая их видимую массу. Он предположил, что невидимая субстанция, которую он назвал темной материей, может гравитационно притягивать эти галактики, пишет Live Science.

С тех пор исследователи подтвердили, что этот таинственный материал можно найти во всем космосе, и что он в шесть раз более распространен, чем обычная материя, из которой состоят обычные вещи, такие как звезды и люди.

Несмотря на то, что ученые видят влияние темной материи по всей Вселенной, они все еще не уверены в достоверности ее существования.

Вот 11 самых популярных вопросов о темной материи без ответов.

Что такое черная материя?

Во-первых, и это, пожалуй, самое удивительное, исследователи по-прежнему не уверены в том, что именно представляет собой темная материя.

Изначально некоторые ученые предполагали, что недостающая масса во Вселенной состоит из маленьких слабых звезд и черных дыр, хотя детальные наблюдения не выявили достаточно таких объектов, чтобы объяснить влияние темной материи, как ранее писал физик Дон Линкольн из Фермилаба Министерства энергетики США.

В настоящее время главным претендентом на роль темной материи является гипотетическая частица, называемая слабовзаимодействующей массивной частицей, или вимп (англ. WIMP), которая вела бы себя как нейтрон, но была бы в 10-100 раз тяжелее протона, как писал Линкольн. Впрочем, эта гипотеза привела только к большему количеству вопросов  ̶  например…

Можно ли мы обнаружить темную материю?

Если темная материя состоит из вимпов, они должны быть повсюду вокруг нас, невидимые и едва различимые. Так почему же их до сих пор не нашли? Хотя они не будут сильно взаимодействовать с обычной материей, всегда есть небольшая вероятность того, что частица темной материи может столкнуться с нормальной частицей, такой как протон или электрон, когда она путешествует в пространстве.

Таким образом, исследователи проводили эксперимент за экспериментом, чтобы изучить огромное количество обычных частиц глубоко под землей, где они защищены от мешающего излучения, способное имитировать столкновение частиц темной материи.

В чем же проблема? После десятилетий поисков ни один из этих детекторов не сделал достоверного открытия.       Ранее в этом году китайский эксперимент PandaX сообщил о том, что они так и не смогли обнаружить вимпы. Вполне вероятно, что частицы темной материи намного меньше вимпов, или не обладают свойствами, которые облегчили бы их изучение, сказал физик Хай-Бо Ю из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Состоит ли темная материя более чем из одной частицы?

Обычная материя состоит из частиц, таких как протоны и электроны, а также большего количества более необычных частиц, таких как нейтрино, мюоны и пионы. В результате чего, некоторые исследователи задаются вопросом: «Может ли темная материя, составляющая 85 процентов материи во Вселенной, быть столь же сложной? «.

«Нет никаких веских оснований предполагать, что вся темная материя во Вселенной построена из одного типа частиц. Темные протоны могут объединяться с темными электронами, образуя темные атомы и создавая конфигурации, столь же разнообразные и интересные, как те, которые можно найти в видимом мире»,  ̶  сказал физик Андрей Кац из Гарвардского университета.

Читайте также:В клетке Эйнштейна. Как человек сможет бороздить Вселенную без двигателей из Star Trek

В то время как подобные предположения все чаще представлялись в физических лабораториях, выяснение способа их подтверждения или опровержения до сих пор ускользало от ученых.

Существуют ли темные фотоны?

Наряду с дополнительными частицами темной материи существует возможность того, что темная материя испытывает силы, аналогичные тем, которые испытывает обычная материя.

Некоторые исследователи искали «темные фотоны», которые были бы подобны фотонам, которыми обмениваются нормальные частицы и вызывают электромагнитную силу.

Если темные фотоны действительно существуют, электрон-позитронные пары могут аннигилировать и произвести одну из неизвестных частиц, потенциально открывая совершенно новую часть Вселенной.

Может ли темная материя состоять из аксионов?

По мере того как физики все больше и больше теряют любовь к вимпам, другие частицы темной материи начинают завоевывать их интерес. Одной из главных замен является гипотетическая частица, известная как аксион (ее сейчас ищут в нескольких экспериментах), которая была бы чрезвычайно легкой, возможно, намного меньше, чем протон.

Недавнее компьютерное моделирование повысило вероятность того, что эти аксионы могут образовывать звездоподобные объекты, способные производить обнаруживаемое излучение, которое весьма напоминает быстрые радиовсплески.

Каковы свойства темной материи?

Астрономы открыли темную материю через ее гравитационные взаимодействия с обычной материей, предполагая, что это ее основной способ заявить о своем существовании во Вселенной. Но при попытке понять истинную природу темной материи, исследователи попадают в тупик.

Согласно некоторым теориям, частицы темной материи должны быть их собственными античастицами, что означает, что две частицы темной материи будут при встрече аннигилировать друг с другом.

Эксперимент с магнитным альфа-спектометром на Международной космической станции ведет поиск характерных признаков этой аннигиляции с 2011 года и уже зафиксировал сотни тысяч событий.        Ученые до сих пор не уверены, исходят ли они из темной материи. К сожалению, сигнал еще не помог им точно определить, что такое темная материя.

Существует ли темная материя в каждой галактике?

Поскольку темная материя значительно превосходит обычную, ее часто называют управляющей силой, которая образовывает большие структуры, такие как галактики и галактические скопления.

Поэтому было неожиданно, когда в начале этого года астрономы объявили, что они обнаружили галактику под названием NGC 1052-DF2, которая, казалось, вообще не содержит никакой темной материи.

«Темная материя, по-видимому, не является обязательным условием для формирования галактики», ̶ сказал Питер ван Доккум из Йельского университета.

Однако летом, отдельная команда опубликовала анализ, предполагающий, что команда ван Доккума неверно измерила расстояние до галактики, означая, что ее видимая материя была намного тусклее и легче, чем первые находки, и что большая часть ее массы была в темной материи, нежели предполагалось ранее.

Что что насчет результатов DAMA / LIBRA?

Давней загадкой в физике элементарных частиц являются загадочные результаты европейского эксперимента, известного как DAMA/LIBRA. Этот детектор, расположенный в подземной шахте под горой Гран-Сассо в Италии, искал периодические колебания частиц темной материи.

Это колебание должно возникать, когда Земля движется по своей орбите вокруг Солнца, пролетая через галактический поток темной материи, окружающий нашу Солнечную систему, иногда называемый ветром темной материи. С 1997 года DAMA / LIBRA утверждает, что видит именно этот сигнал, хотя ни один другой эксперимент не фиксировал ничего подобного.

Может ли темная материя иметь электрический заряд?

Этот сигнал привел некоторых физиков к предположению, что темная материя может иметь электрический заряд.

Еще в младенчестве Вселенной, звезды испустили излучение с длиной волны 21 см (всего через 180 миллионов лет после Большого Взрыва). После чего, оно было поглощено холодным водородом, который находился вокруг. Когда это излучение было обнаружено в феврале этого года, его сигнатура предполагала, что водород был намного холоднее, чем предсказывали ученые.

Астрофизик Джулиан Муньос из Гарвардского университета предположил, что темная материя с электрическим зарядом могла бы отводить тепло от всепроникающего водорода, подобно кубикам льда, плавающим в лимонаде. Однако эта гипотеза еще не получила подтверждения.

Могут ли обычные частицы распадаться на темную материю?

Нейтроны  ̶ это обычные частицы материи с ограниченным временем существования. Примерно через 14,5 минут одинокий нейтрон, отделившийся от атома, распадется на протон, электрон и нейтрино.

Согласно экспериментам, приведенным в июльском исследовании в журнале Physical Review Letters, у этого распада немного различное время жизни, с расхождением между 9 секундами.

Ранее в этом году физики предположили, что если в 1% случаев некоторые нейтроны распадаются на частицы темной материи, это может объяснить эту аномалию.         

Кристофер Моррис из Лос-Аламосской Национальной лаборатории в Нью-Мексико и его команда отслеживали нейтроны в поисках сигнала, который мог бы быть темной материей, однако так и не смогли ничего обнаружить. Они предположили, что другие сценарии распада все еще  возможны.

Существует ли темная материя на самом деле?

Учитывая трудности, с которыми столкнулись ученые, пытаясь обнаружить и объяснить темную материю, у нас может возникнуть вопрос: «А не ошибаются ли они? «.

В течение многих лет меньшинство физиков выдвигало идею о том, что, возможно, наши теории гравитации просто неверны и что фундаментальная сила действует в больших масштабах иначе, чем мы думаем.

Эти предположения, часто известные как «модифицированная ньютоновская динамика» (МОНД) утверждают, что темной материи не существует, а сверхбыстрые скорости, с которыми звезды и галактики вращаются друг вокруг друга, являются следствием удивительного поведения гравитации.

«Темная материя все еще остается неподтвержденной»,  ̶  заключил физик Дон Линкольн. И все же недоброжелателям еще предстоит убедить в своих идеях более широкую аудиторию.