Тайна космоса. Ученые предложили решение загадки темной материи

МОСКВА, 12 янв — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Расчеты показывают, что космос заполнен преимущественно темной материей. Прямым наблюдениям она недоступна, поэтому о ее происхождении, составе и свойствах можно только догадываться. Согласно одной из последних гипотез, она образовалась из обычных частиц в ранней Вселенной.

Открытие скрытой массы Вселенной

В 1933-м американский астроном Фриц Цвикки, наблюдая за галактиками в скоплении Кома в 300 миллионах световых лет от Млечного Пути по направлению созвездия Волосы Вероники, обнаружил, что динамическая масса этого объекта, определенная исходя из скорости движения галактик, примерно в 50 раз больше результата, полученного на основе оценки светимости звезд. Спустя три года с такой же нехваткой массы в галактическом кластере Вирго столкнулся другой американец — Синклер Смит.

Столь серьезное расхождение невозможно объяснить погрешностью расчетов, поэтому ученые пришли к выводу, что некоторые галактики содержат несветящееся вещество. Цвикки назвал его темной материей.

Несколько десятилетий об этом почти не вспоминали — пока в 1970-м американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд не опубликовали сенсационные результаты измерений скорости звезд и газовых облаков крупной спиральной галактики М31 — туманности Андромеды. Согласно кеплеровской механике, с увеличением расстояния от галактического центра скорость должна уменьшаться. А в галактике М31, и в центре, и на периферии, звезды двигались примерно одинаково, как будто связанные каким-то каркасом, грандиозным облаком с массой значительно большей, чем звезды.

То же самое Рубин, Форд и другие исследователи увидели в десятках других спиральных галактик. Ожидаемые и реальные скорости вращения вещества различались не на проценты или даже десятки процентов, а в разы. По расчетам периферийные звезды и газ в крупной спиральной галактике должны двигаться со скоростью 30-40 километров в секунду, на самом деле — 150-200. Стало ясно, что необходимо учитывать какие-то ранее неизвестные факторы.

И тут термин, предложенный Цвикки, пришелся очень кстати. Ученые предположили, что в создании галактических гравитационных полей участвуют частицы темной материи неизвестной природы, недоступные для прямого наблюдения.

В наше время, когда современные суперкомпьютеры способны на сложнейшие расчеты, эта гипотеза по-прежнему в центре внимания. Так, в минувшем году только журналы семейства Physical Review опубликовали 345 статей о темной материи.

© Washington State University, Pixabay License

Красная линия обозначает расчетную скорость вращения звезд галактики Андромеда. Белая линия — реальную скорость, измеренную по результатам наблюдений. Законы классической механики предсказывают, что при удалении от центра галактики звезды должны вращаться медленнее, в то время как реальные наблюдения демонстрируют, что скорость звезд практически неизменна вплоть до самых удаленных областей. Это указывает на присутствие большого количества неучтенной массы

Вимпы и аксионы

С 1970-х для сотен галактик построили кривые вращения — графики зависимости орбитальных скоростей звезд от расстояния до галактических центров. И везде они не совпадали с расчетами на основе распределения массы видимого вещества.

Конечно, астрономы первым делом искали какие-то невидимые объекты из обычного вещества, например коричневые карлики — очень тусклые звезды размером с Юпитер, но в десятки раз массивнее. Действительно, в конце 1990-х — начале 2000-х с помощью космических телескопов открыли множество таких объектов. Более того, они оказались самой весомой звездной составляющей Млечного Пути. Обнаружили также межгалактические холодные облака из водорода и гелия. Прозрачные для света звезд, они дают о себе знать только характерной линией водорода в спектре, а масса их в скоплениях галактик в десять раз больше, чем звездная. Но и этого, как выяснилось, недостаточно, чтобы объяснить отклонения кривых вращения.

По современным моделям Вселенная примерно на 70 процентов состоит из темной энергии, на 25 — из темной материи, и лишь пять процентов приходится на обычную, барионную материю, из которой состоят звезды, планеты, газовые и пылевые облака. То есть темной материи в пять раз больше, чем обычной. Более того, ученые определили, какими свойствами должны обладать частицы темной материи.

Физики считают, что эти частицы движутся медленно, то есть темная материя — холодная. Поэтому нейтрино на эту роль не подходят. Также они очень слабо взаимодействуют друг с другом, с частицами обычной материи и фотонами и в то же время создают поле тяготения, то есть они достаточно массивные. Их назвали слабовзаимодействующими массивными частицами, или вимпами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Вычисления показали, что они в сотни и тысячи раз тяжелее протона. Дело за малым — найти их.

С 1990-х вимпы ищут на десятке установок по всему миру. Единственный сигнал, который может стать подтверждением существования частиц темной материи, зафиксировали в июне 2020-го на самом чувствительном в мире детекторе XENON в лаборатории Гран Сассо в Италии.

Сама лаборатория находится глубоко под землей, чтобы обеспечить необходимое экранирование и уменьшить фоновый шум. Главный элемент установки — резервуар с жидким радиоочищенным ксеноном весом две тонны. Если входящая частица темной материи ударит по атомам ксенона, то высвободятся фотоны и электроны, и фотоумножители в верхней и нижней частях резервуара это зафиксируют. Шестнадцатого июня 2020-го ученые заметили избыточные сигналы, которые не укладывались в Стандартную модель или фоновый шум. Однако на вимпов это было не очень похоже.

Другой кандидат на темную материю — легкие слабовзаимодействующие частицы, или виспы (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Самая известная — аксион. Ее ввели теоретики в рамках квантовой хромодинамики, чтобы объяснить CP-симметрию. По мнению ученых, эту стабильную незаряженную частицу можно обнаружить в сильных магнитных полях, где она должна индуцировать фотоны. Аксионы тоже ищут с 1990-х, в том числе в рамках экспериментов в ЦЕРНе, и тоже пока безрезультатно.

Какая материя первична

Темная материя взаимодействует с обычным веществом и излучением только посредством гравитации. Из теоретических вычислений и практических наблюдений следует, что галактика становится стабильной, если она погружена в сферическое облако, гало массивной материи много больших размеров, чем видимые. Такое облако удерживает в равновесии звезды и галактический газ, не позволяя галактике рассыпаться.

Ученые предполагают, что частицы, обеспечивающие недостающую массу Вселенной, появились вскоре после Большого взрыва, и распределение их было неравномерным. Области с повышенной плотностью темной материи притягивали к себе обычное вещество, которое сваливалось в гравитационные ямы. Так образовались первые звезды, а затем и галактики. Без темной материи в качестве "катализатора" концентрации вещества трудно объяснить быстрое нарастание неоднородности в ранней Вселенной.

Но как возникли сами частицы темной материи, неясно. Узнать это — одна из самых амбициозных задач современной физики.

Считается, что темная материя сформировалась еще на стадии "термальной ванны" — плазмы из электронов, барионов и фотонов. В результате их взаимодействия родились другие частицы. Затем, по мере расширения Вселенной и охлаждения плазмы, эти реакции прекратились и началась рекомбинация — образование атомов. То есть темной материи сразу появилось очень много, и с тех пор ее количество неизменно.

Недавно ученые из Норвегии, Германии, Бельгии, США и Израиля предложили другой вариант. По их мнению, частицы темной и обычной материи в "термальной ванне" возникли практически одновременно, но затем темная материя начала увеличиваться в геометрической прогрессии из-за механизма экспоненциального роста, характерного для многих физических процессов. По мере расширения Вселенной этот процесс усиливался и прекратился, только когда расширение замедлилось.

При таком сценарии понятно, почему темная материя обычно сосредоточена не в центральных областях галактик и их скоплений, а в окружающих их галактических гало.

© NASA / CXC/M. Weiss

Первое фото, доказывающее существование темной материи — составное изображение галактического кластера Пули, полученное наземными Магеллановыми телескопами и космическими телескопами "Хаббл" и "Чандра". Кластер возник при столкновении двух скоплений галактик. Розовым цветом показано рентгеновское излучение барионного газа, состоящего из протонов и нейтронов, которое было зарегистрировано телескопом "Чандра", а синим — распределение невидимой массы, определенной по гравитационному линзированию. Видно, что гравитационная масса не совпадает с барионной из-за того, что при столкновении газ затормозился, а темная материя пролетела дальше.

Насколько верна предложенная модель, покажет время и новые эксперименты на больших наземных ускорителях и детекторах, а также наблюдения на гигантских телескопах будущего.

Пока же участники очередного исследования сообщили об отрицательном результате. Южнокорейские ученые пытались зарегистрировать в детекторе COSINE-100 сезонные колебания регистрации WIMP, вызванные изменением скорости движения Земли относительно гало темной материи при ее вращении вокруг Солнца. На возможность фиксации таких сезонных расхождений еще в 1998-м указывала итальянская коллаборация DAMA. Но анализ данных эксперимента COSINE-100 не выявил темной материи.