Открытие темной материи: увидеть невидимое⁠⁠

В начале XX века люди всерьез взялись за изучение неба над нашей планетой с помощью новых телескопов, которые дала человечеству техническая революция. Был совершен ряд сенсационных открытий. Эдвин Хаббл доказал, что Вселенная простирается намного дальше Млечного Пути, а светящиеся объекты за ним, которые считались обычными звездами, являются бесчисленным множеством галактик, таких, как наша.

Спустя несколько лет астрономы уже в полную силу изучали устройство космоса, следя за далекими галактиками. Среди них был и Фриц Цвикки – ученый из Калифорнийского технологического института. В начале 30-х годов Цвикки занимался изучением скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, пытаясь вычислить массу на основе изменения их светимости.

Однако после того как астроном изучил движение каждой из галактик, оказалось, что уравнения не сходятся – звездные скопления изменяли свое положение в пространстве намного быстрее положенного, если брать за основу массу, рассчитанную в результате визуальных наблюдений.

Фриц Цвикки – основатель теории скрытой массы.

Цвикки нашел единственное логичное объяснение происходящему: аномальная скорость вращения галактик вызвана огромной гравитацией, которая, в свою очередь, образуется присутствием некой невидимой глазу материи, увеличивающей массу галактики в несколько десятков раз. Тогда ученый предложил теорию скрытой массы, подтверждение которой позже начали получать астрономы во всем мире.

В 60-е годы теорию Цвикки смогла подтвердить американский астроном Вера Рубин. На тот момент она изучала ближайшую к нам Галактику Андромеды, которая находится всего в 2,5 млн световых лет от Земли. Женщина сделала интересное наблюдение: скорость движения звезд и видимой материи в галактиках при удалении от центра растет.

В то же время модель Солнечной системы наглядно демонстрирует нам работу законов Кеплера, при которых линейные и угловые скорости движения планет по орбите снижаются. Говоря простым языком, чем дальше планета находится от звезды, тем меньше усилий ей приходится прилагать, чтобы остаться на ее орбите.

Чтобы подтвердить свое наблюдение, Вера Рубин взялась изучать поведение звезд в других галактиках и всегда получала один и тот же результат: при удалении от центра галактики скорость движения звезд не снижалась. Это можно было объяснить только наличием массивного объекта, который создает гравитацию для ускорения.

Теперь, когда ученые узнали, что и где конкретно нужно искать, они начали получать новые улики присутствия в галактиках невидимой материи, которая прямым образом влияла на массу скоплений.

Развитие теории и разрыв стандартного шаблона устройства Вселенной

Еще в 1911 году Эйнштейн доказал, что путь света может искривляться гравитацией массивных объектов. Это открытие легло в основу изучения дальнего космоса. Даже самый современный телескоп не может увидеть массивные объекты за пределами Солнечной системы, если они не излучают собственный свет, однако мы научились ловить их присутствие с помощью эффекта т.н. "гравитационной линзы". После того как люди начали использовать линзирование для наблюдения, оказалось, что мы ничего не знали о космосе, а новые открытия с трудом поддаются объяснению.

Куда бы ни направляли астрономы свои телескопы, везде наблюдались гравитационные искажения света, вызванные не только звездами и туманностями, но и наличием темной материи, как полагают ученые. По последним представлениям, масса видимой материи (барионной) составляет всего 4,9% от общей массы Вселенной, в то время как на долю таинственной темной материи приходится почти 27%. Остальная часть массы относится на счет темной энергии, которая является еще большей загадкой для науки, и мы бесконечно далеки от понимания этого явления.

Уже несколько лет целая команда астрономов под руководством физика Ричарда Мэсси исследует небо, пытаясь изучить темную материю. На основе данных, которые предоставил телескоп Хаббл, ученые смогли составить трехмерную карту распространения темной материи во Вселенной.

Трехмерная модель распространения темной материи. В наиболее густых участках и формируются такие галактики, как Млечный Путь.

Фото: Wikimedia

Еще одним открытием команды Мэсси стал факт зависимости распространения обычной материи во Вселенной от расположения темной.

Первые попытки обнаружения таинственных частиц темной материи и еще больше загадок

Открытие, совершенное на примере Скопления Пули, позволило ученым сделать предположение, что темная материя окружает нас даже здесь, на планете Земля. Однако ввиду того, что она отказывается сталкиваться с обычным веществом, взаимодействуя с ним только на уровне гравитации, необходимо разрабатывать новые способы, которые помогут зафиксировать присутствие невидимых и электрически нейтральных частиц.

Проблема заключается в том, что физики не могут понять, какие именно частицы необходимо им искать. В связи с этим было принято решение отрабатывать все известные частицы методом научного отсеивания, в том числе и те, которые еще не были открыты, но вписаны в наиболее весомые теоретические модели, разработанные учеными.

На данный момент ученые рассматривают несколько моделей темной материи: горячая, холодная и теплая. По некоторым предположениям, состав темной материи зависит от того, при каких температурных условиях она прекратила взаимодействовать с барионной.

Наиболее вероятной является модель холодной темной материи, состоящей из небарионного вещества. Неизвестная частица модели получила условное название WIMP (от англ. Weakly Interacting Massive Particle – слабовзаимодействующие массивные частицы).

На поиски ВИМП’ов были выделены значительные ресурсы, позволившие построить исследовательские лаборатории глубоко под землей, в шахтах ниже уровня 700 метров. Это было сделано для того, чтобы значительно снизить влияние космического излучения на результаты экспериментов, в то время как темная материя, согласно теории, сможет беспрепятственно пройти сквозь толщу земли и детекторы смогут ее зафиксировать.

К сожалению, на данный момент подобные лаборатории не добились весомых успехов, позволяющих однозначно утверждать наличие темной материи вокруг нас.

Чему мы обязаны своим появлением и существованием?

По мнению многих ученых, темная материя – это каркас всего космоса, помогающий объединяться обычному веществу в скопления. Исходя из этого именно темной материи мы обязаны появлением нашей галактики, нашей звезды и нашей небольшой уютной планеты.

Недавние исследования космологов подтвердили, что расширение Вселенной не замедляется, как это произошло бы в результате обычного взрыва, а наоборот – ускоряется. Ответственность за это явление ученые возложили на еще более таинственное явление, которое было условно названо темной энергией и о котором мы не знаем ровным счетом ничего. И только гравитация темной материи препятствует ускорению расширения обозримого для нас космоса.

В противном случае в скором, по космическим меркам, времени, на видимом горизонте для нас не осталось бы ни одной галактики, звезды, или любого другого космического объекта.

Если недавний слабый сигнал из глубин космоса, который удалось зарегистрировать ученым, окажется действительным свидетельством существования темной материи, это откроет человечеству путь к тайнам создания Вселенной, о которых мы даже не догадываемся.

Это позволит нам заглянуть в прошлое и, возможно, предсказать будущее. Мы изучаем информацию о своих истоках, но стоим лишь в начале длинного пути, на конце которого нас ждут знания и понимание тайн Вселенной.