Новая физика темной материи: зачем ее искать и как она будет работать. Что такое темная материя

Все вокруг нас, от растений до планет, от камней до звезд, от людей до скоплений галактик Персея, состоит из материи. Но все это составляет лишь 15 процентов от общего количества материи во Вселенной. Большинство, или оставшиеся 85 процентов, не учитываются. Это то, что мы называем темной материей.

Темная материя и темная энергия во Вселенной

Существование невидимой темной энергии и материи во Вселенной уже звучит как научная фантастика. Немного жутковато, не правда ли? Трудно представить, что вокруг вас есть что-то необнаружимое. Тем не менее, доказательства имеются. Все вокруг нас материально — камни, звезды, люди и галактики. Это всего лишь 15 процентов от общего количества материи во Вселенной. Остальные 85 процентов — это темная материя. Последний практически невидим, поскольку его название происходит от отсутствия поглощения, отражения и преломления света. И пока не появилось лучшей теории Вселенной, которая могла бы это объяснить.

Астрономы тоже не могут увидеть такие проблемы, но они могут изучать их эффекты, например, преломление света под действием гравитации. Они также могут измерить быстрое вращение звезд вокруг собственной галактики.

Состав Вселенной

Доля темной материи во Вселенной составляет 25, доля простой барионной материи — 5, а доля энергии — 70%. Это деление дается теорией того времени. Главная задача барионной материи — сформировать все объекты, которые могут наблюдать люди. Темная материя регистрируется только гравитацией. Оба понятия представляют собой материю, которая не взаимодействует с фотонами. По мнению большинства современных ученых, их исследования позволяют ответить на распространенный вопрос: что может ожидать нашу Вселенную в будущем?

Простыми словами о темной материи: что это такое?

Мы говорим об обычных вопросах, которые склонны к сплочению. Размер последней примерно равен размеру галактики или скопления галактик. Материя участвует в различных гравитационных взаимодействиях. Он может содержать новые частицы, которые еще не были исследованы на Земле.

В дополнение к космологической информации, измерения гравитационного поля линз подтверждают их существование. Как это происходит? Лучи света отклоняются от роевого поля. Другими словами, гравитационное поле действует как линза. Иногда можно увидеть множество изображений таких далеких галактик.

Темная материя трактуется в астрономии как виртуальная форма, которая не поддается немедленному наблюдению, поскольку не участвует в электромагнитных взаимодействиях. Эта концепция была введена для объяснения проблемы скрытых масс, появляющихся в явлениях с необычно высокими скоростями вращения. Законы небесной механики позволяют производить точные расчеты относительно небесных тел. Фактически, материя объясняет наблюдаемые гравитационные аномалии — она позволяет понять вращение галактик в существующих теориях. Темная материя (далее ТМ) рассматривается в теоретической физике таким же образом.

Его основные характеристики:.

• находится под влиянием гравитационного воздействия;
• воздействует на прочие космические объекты;
• практически не взаимодействует с реальным миром.

Согласно измерениям массы кластеров, вклад материи составляет около 25 процентов от общей плотности энергии Вселенной. Точно такое же число можно получить, наблюдая и сравнивая теории образования различных структур. Измерения также показали, что ТМ существуют в галактиках.

Альберт Эйнштейн смог доказать, что крупные космические объекты могут изгибать и искажать световые лучи. Это позволило использовать их в качестве естественных увеличительных зеркал. Исследуя этот процесс, ученые смогли составить карту темной материи.

Что такое темная материя?

Это виртуальная форма материи, которая не участвует в электромагнитных взаимодействиях и не поддается непосредственному наблюдению. Она составляет четверть энергетической массы Вселенной и проявляется только в гравитационных взаимодействиях.

Звезды производят 100% света, видимого во Вселенной, но только 2% ее массы. Движение галактик, кроссов и связанных с ними галактик показывает, что количество гравитационной массы превышает массу звезд в 50 раз. Можно предположить, что эта разница объясняется другими типами обычной материи.

• Видимое вещество — 5%.
• Нейтрино — 0,3–3%.
• Барионная темная материя — 4–5%.
• Небарионная темная материя — 20–25%.
• Темная энергия — 70–75%.

Но даже если вы сложите все эти компоненты вместе, у вас все равно останется только 15-17% от общего количества материи, необходимого для объяснения гравитации. Остальное движение, которое мы видим, требует формы материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной из известных частиц стандартного образца. Необходима какая-то форма темной материи.

Состав и свойства темной материи в настоящее время неизвестны. В контексте обычных космологических моделей наиболее вероятной считается модель холодной темной материи. Наиболее вероятными кандидатами в частицы темной материи являются цветочные деревья. Несмотря на активные поиски, их пока не удалось обнаружить экспериментально.

Зачем нам нужна темная материя?

Темная материя необходима не только для объяснения астрофизических явлений, таких как вращение галактик, движение стержней и конкуренция, но и для объяснения происхождения самой жизни.

Чтобы объяснить почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась в теплом, плотном состоянии, в результате большого взрыва, когда все представляло собой почти однородное море отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц. По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легкие ядра (водород, солнечное, второе, небольшое литиевое), но больше ничего. Через миллионы или сотни миллионов лет этот материал разрушился в областях, достаточно плотных для образования звезд и галактик.

Все это происходило бы несколько иначе, с темной материей или без нее. Однако он должен был расплавиться в ядрах более крупных звезд в космосе, чтобы увеличить обилие элементов, необходимых для жизни — углерода, кислорода, азота, фосфора и серы. Чтобы сформировать твердые планеты, органические молекулы и жизнь, эти массы сначала должны быть запущены в межзвездную среду. Там звезды станут следующим поколением звезд. Для этого требуется взрыв сверхновой.

Насколько сегодня ученые уверены, что темная материя действительно существует?

Основным доказательством является наблюдение за вариациями электромагнитного излучения, то есть результаты, полученные космическими аппаратами WMAP и Planck за последние 15 лет.

Они точно измерили космический микроволновый фон, т.е. температурные возмущения в остаточном излучении. Эти ухудшения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизированный водород был преобразован в нейтральные атомы.

Эти измерения показывают наличие очень маленьких, примерно 1 миллиметр Кельвина, флуктуаций. Однако когда они начали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили существенные различия, которые можно объяснить чем-то другим, нежели присутствием темной материи. Благодаря этому они смогли точно рассчитать долю темной обычной материи во Вселенной.

Если темную материю можно как-то объяснить, то темная энергия не имеет к ней никакого отношения. Правда, некоторые люди считают, что это характерно для пятой фундаментальной силы.

Подозреваемый №2: слабо излучающие астрофизические объекты

Следующая простейшая и наиболее очевидная гипотеза состояла в том, что скрытые массы могут быть обнаружены в хорошо известных астрофизических компактных артефактных объектах, тусклых звездах, белых и коричневых карликах, нейтронных звездах, черных дырах и даже планетах с массой, таких как Зевс. Из-за своего небольшого размера и слабой яркости эти объекты не видны в телескопы, а объектов, предлагающих эту скрытую массу, очень много.

Когда слабояркий массивный объект проходит через линию видимости, видимый объект за ним делает звезду ярче, например, из-за гравитационного линзирования света (см. рис. 4). Это явление известно как гравитационные микроволокна. Наличие таких махов должно привести к огромному количеству микрособытий. Однако наблюдения орбитального телескопа «Хаббл» показали, что таких событий необычайно мало, а если такие объекты-мачо и присутствуют, то их масса составляет менее 20% от массы галактики, но в любом случае 95%.

Звездные микрофоны из предметов мачо.

Более того, все эти опровержения были позже подтверждены наблюдениями космических реликтов. Дело в том, что эти наблюдения устанавливают четкий предел на количество варизонтов (состоящих из протонов, нейтронов и кварков), которые могли родиться в ранней Вселенной в ядре. В частности, он говорит, что гравитация (все яркие звезды, облака газа и пыли) составляет, по крайней мере, основную часть материи в барионах нашей Вселенной, и поэтому потенциальная масса не может состоять из барионов.

Подозреваемый №3: модифицированные теории

Вернемся к началу истории: что произойдет, если не будет дополнительной массы? А что если существуют немного разные способы решения теории гравитации и законов Ньютона?

Вначале я сказал, что чем сильнее гравитация воздействует на объект (в данном случае на галактику или отдельную звезду), тем больше его ускорение (закон Ньютона) и, следовательно, скорость. Скорость. Но что произойдет, если закон Ньютона будет изменен? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром предложил случай MOND (модификация ньютоновской динамики), в котором законы Ньютона были слегка изменены для очень малых ускорений.

Этот подход хорошо объясняет кривые вращения, приписываемые Рубину и Форду, и кривые возрастающего вращения эллиптических галактик. Однако в случае роев темной материи, где ускорение галактик намного больше, чем ускорение отдельных звезд, MOND не оправдался, и вопрос остался открытым. Во многих попытках исправить теорию гравитации предлагались другие подходы. В настоящее время существует широкая категория таких теорий, называемых формами паратитуса метонии, где каждая отдельная теория описывается собственным набором из десяти стандартных параметров, объясняющих отклонение от нормальной гравитации.

Некоторые из этих теорий устраняют проблему скрытой массы, но приводят к другим проблемам. Например, в цвете массивных фотонов и гравитационном линзировании (зависимость отклонения света от частоты), что, конечно, не подтверждается наблюдениями. В любом случае, ни одна из этих теорий пока не подтверждена наблюдениями. Поэтому из всех возможных гипотез остается только одна возможная гипотеза (хотя изначально экзотическая). Это согласуется с результатами экспериментов. Темная материя — это некая небарионная частица (т.е. не состоящая из кварков). Теоретически существует множество таких кандидатов (см. рисунок 5), но их можно разделить на две основные группы — холодная темная материя и горячая темная материя.

Кандидаты в темную материю, классифицированные по массе (из В. Тримбл, 1987).

Подозреваемый №4: горячая темная материя

Теплая темная материя — это световые частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Наиболее очевидными кандидатами на эту роль являются самые обычные нейтрино. Эти частицы имеют очень малую массу (ранее считалось, что она равна нулю), рождаются в недрах звезд в различных термоядерных процессах и разлетаются с небольшим взаимодействием или вообще без него. Однако, учитывая количество нейтрино во Вселенной, мы знаем, что их масса должна составлять около 10 электрон-вольт для учета темной материи. Однако эксперименты ограничивают массы указанных нейтрино долями 1 эВ, что составляет несколько сотых.

После отказа от обычных нейтрино возникла теория о существовании так называемых стерильных нейтрино. Это виртуальные частицы, возникающие в теориях сверхсильных взаимодействий. Однако такие частицы еще не были обнаружены в экспериментах, и их существование оспаривается. Последние космологические наблюдения показывают, что если горячая темная материя и существует, то она не превышает 10% от всей темной материи. Действительно, различные типы темной материи обеспечивают различные сценарии формирования галактик (см. рисунок 6).

В сценарии горячей темной материи (сверху вниз) эволюция сначала приводит к образованию больших сгустков материи, которые затем распадаются на отдельные более мелкие скопления, в конечном итоге превращаясь в галактики. В сценарии холодной темной материи (снизу вверх) сначала формируются небольшие карликовые галактики и скопления, затем они сливаются, образуя более крупные галактики. Наблюдения и компьютерное моделирование показывают, что наша Вселенная развивается именно по такому сценарию, причем холодная темная материя явно преобладает.

Сценарий сверху вниз (теплая темная материя), сценарий снизу вверх (холодная темная материя)

Большая часть научного сообщества считает, что неизвестная материя в основном представлена небарионной материей. Наиболее популярными кандидатами являются WIMPS (Weakly Interacting Mass Particles), которые имеют массу в 10-100 раз больше массы протона. Однако они очень слабо взаимодействуют с обычной материей, что усложняет их поиск.

Углубляемся в тайну

Одно время ученые буквально не могли видеть темную материю, поскольку она не вступает в контакт с барионной материей и поэтому остается неощутимой для света и других форм электромагнитного излучения. Однако исследователи уверены в его существовании, поскольку наблюдают его влияние на галактики и рои.

Обычная физика говорит, что звезды на краях спиральной галактики должны замедляться. Однако оказалось, что некоторые звезды появляются со скоростями, которые не соответствуют принципу выравнивания по направлению к центру. Это можно объяснить только тем, что звезды ощущают влияние невидимой темной материи в гало вокруг галактики.

Присутствие темной материи также может расшифровать некоторые иллюзии, наблюдаемые в глубинах Вселенной. Например, существование странных колец или дуг света в галактиках. Это означает, что свет от далеких галактик проходит через искажения и усиливается невидимыми слоями темной материи (гравитационное линзирование).

На сегодняшний день существует несколько идей о том, что представляет собой темная материя. Основная идея заключается в том, что это экзотические частицы, которые не вступают в контакт с обычной материей или светом, но обладают силой в гравитационном смысле. В настоящее время различные группы (некоторые из них используют Большой адронный коллайдер) работают над получением частиц темной материи для лабораторных исследований.

Другие считают, что эти эффекты можно объяснить фундаментальной модификацией теории гравитации. Затем существуют различные формы гравитации, которые сильно отличаются от привычных образов и физических законов.

Расширяющаяся Вселенная и темная энергия

Ситуация с темной энергией еще более запутанная, а само открытие стало непредсказуемым в 1990-х годах. Физики всегда считали, что гравитация действует медленно и однажды может остановить расширение Вселенной. Две команды провели одновременные измерения скорости и, к своему удивлению, обе обнаружили ускорение. Это как подбросить яблоко в воздух, и вы знаете, что оно обязательно упадет и будет удаляться от вас все дальше и дальше.

Стало ясно, что на ускорение влияют определенные силы. Более того, кажется, что чем больше вселенная, тем большую «силу» приобретает эта сила. Ученые решили назвать ее темной энергией.

Если темную материю можно как-то объяснить, то темная энергия не имеет к ней никакого отношения. Правда, некоторые люди считают, что это характерно для пятой фундаментальной силы.

Однако известные свойства темной энергии согласуются с космологической постоянной, созданной Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности. Константа действует как отталкивающая сила, компенсируя гравитацию и предотвращая коллапс пространства. Позже Эйнштейн отказался от нее, поскольку наблюдения показали расширение Вселенной (рассчитанной в статическом состоянии).

Но теперь добавление темной энергии как константы, ускоряющей расширение Вселенной, может объяснить этот процесс. Но все это еще не показывает нам, почему существует эта странная сила.