Реальна ли темная материя? Многолетняя загадка астрономии

Основная проблема гипотезы о темной материи заключается в том, что никто не знает, какую форму может принимать эта темная материя.

Современная астрономия находится в некотором замешательстве. Ученые понимают, как формируются, сгорают и умирают звезды, и совершенствуют свое понимание того, как планеты собираются в планетарные системы, подобные нашей собственной. 

Но у астрономов есть проблема: они не понимают, как могут существовать галактики – проблема, которая остается нерешенной после долгих десятилетий исследований.

Проблема относительно проста. Галактики – это скопления звезд, удерживаемых вместе гравитацией. Подобно нашей Солнечной системе, они вращаются, а звезды движутся по огромным траекториям, вращаясь вокруг галактического центра. На любом фиксированном расстоянии от центра галактики звезды, движущиеся с большой скоростью, требуют более сильной гравитации, чтобы удержаться на своих галактический орбитах. И когда астрономы измерили орбитальную скорость звезд в галактиках на разных расстояниях от центра, они обнаружили, что звезды движутся так быстро, что галактики должны разрываться на части. Но этого не происходит.

Наиболее распространенным объяснением этой загадки является до сих пор не открытая форма материи – темная материя. Если она существует, то именно она оказывает гравитационное воздействие, но не излучает свет или какую-либо форму электромагнитного излучения. Это означает, что ее нельзя увидеть с помощью телескопов или любых других приборов, которые астрономы используют для наблюдения за космосом. Однако невидимая темная материя могла бы увеличить гравитационное притяжение любой галактики, объясняя, почему звезды вращаются вокруг галактики так быстро и держатся на своих орбитах.

Загвоздка с гипотезой о темной материи заключается в том, что никто не знает, какую форму принимает темная материя. Когда этот термин был впервые предложен в 1933 году швейцарско-американским астрономом Фрицем Цвикки, предполагалось, что дополнительная масса – это просто облака водородного газа. Межзвездный водородный газ практически невидим для телескопов. Однако с развитием технологий астрономы нашли способы измерения количества водородного газа в галактиках, и, хотя его там очень много, но его явно недостаточно для объяснения загадки вращения галактик.

Среди других предложенных объяснений есть еще сгоревшие звезды, черные дыры и другие объекты, которые, как известно, существуют в галактиках, но не излучают свет.  Однако в 1990-х годах астрономы искали такие объекты (называемые MACHO, сокращение от MAssive Compact Halo Objects – Массивные компактные гало-объекты) и, опять же, хотя они нашли примеры MACHOs, их тоже было недостаточно для объяснения движения звезд в галактиках.

темная материя

Вимп (WIMP)

Поскольку некоторые из более простых объяснений были исключены, ученые начали думать, что, возможно, темная материя существует в виде некоего “газа” или в виде невиданных ранее частиц. Эти частицы получили общее название “WIMP”, сокращенное от Weakly Interacting Massive Particles – Слабо взаимодействующие массивные частицы. Вимпы, если они существуют, в основном являются стабильными субатомными частицами, с массой где-то в диапазоне от массы протона до 10000 протонов, или даже больше.

Как и все кандидаты в частицы темной материи, WIMP взаимодействуют гравитационно, но буква “W” (слабо) в названии означает, что они взаимодействуют через слабые ядерные силы. Слабые ядерные силы участвуют в некоторых формах радиоактивности. Она намного сильнее гравитации, но в отличие от бесконечного диапазона действия гравитации, слабые ядерные силы действуют только на крошечных расстояниях – расстояниях, намного меньших, чем протоны. Если вимпы существуют, они пронизывают галактики, включая наш Млечный Путь, и даже нашу Солнечную систему. В зависимости от массы вимпа, астрономы подсчитали, что если сжать кулак, то внутри него может оказаться одна частица темной материи.

Ученые уже много десятилетий ищут прямые и убедительные доказательства существования вимпов. Они делают это несколькими способами. Например, некоторые теории WIMP предполагают, что вимпы могут быть получены в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в Европе. Физики элементарных частиц изучают данные, надеясь увидеть признаки появления вимпов. Но, к сожалению, до сих пор никаких признаков не наблюдалось.

Другой способ поиска WIMP – непосредственное наблюдение за частицами темной материи, которые проносятся через Солнечную систему. Ученые строят очень большие детекторы и охлаждают их до сверхнизких температур, чтобы атомы в детекторах двигались медленно. Затем помещают эти детекторы на километр или более под землю, чтобы защитить их от радиации из космоса. Затем они ждут, надеясь, что частица темной материи вступит во взаимодействие с детектором, нарушив один из почти неподвижных атомов.  

Но, несмотря на десятилетия усилий, ни одного вимпа не было обнаружено. Прогнозы 1980-х предполагали, что исследователи могут ожидать обнаружения вимпов с определенной скоростью. Когда вимпы так и не были обнаружены, исследователи построили серию детекторов с гораздо большей чувствительностью. Но никаких положительных результатов они не дали. Современные детекторы в 100 миллионов раз более чувствительны, чем детекторы 1980-х годов, но до сих пор не было ни одного точного наблюдения вимпа, включая совсем недавнее измерение в эксперименте LZ (эксперимент нового поколения по прямому обнаружению темной материи, целью которого является наблюдение рассеяния слабо взаимодействующих массивных частиц на ядрах), в котором используется 10 тонн ксенона для достижения беспрецедентной чувствительности к вимпам.

темная материя

Заглядывая вперед

После десятилетий неудач в обнаружении темной материи научное сообщество пересматривает ситуацию. Что известно наверняка? Среди прочего, астрономы уверены, что галактики вращаются быстрее, чем можно объяснить с помощью известных законов движения и гравитации и наблюдаемого количества материи. Гипотеза о темной материи – это решение проблемы дефицита материи, но, возможно, это не ответ. Возможно, истинное объяснение заключается в том, что существующие законы движения и гравитации необходимо пересмотреть.

Такой подход называется MOND – сокращение от MOdifications of Newtonian Dynamics – Модификация ньютоновской динамики. Первое решение такого рода было предложено опять же в 1980-х годах израильским физиком Мордехаем Милгромом. Он предположил, что для привычного движения, которое мы наблюдаем изо дня в день, законы движения, разработанные Исааком Ньютоном в 1600-х годах, работают просто замечательно. Но для очень малых сил и очень малых ускорений (как в окрестностях галактик) эти законы нуждаются в корректировке. После внесения поправок он смог правильно предсказать вращение галактик.  

Хотя такое достижение можно рассматривать как оглушительный успех, но он изменил уравнения, чтобы они соответствовали наблюдаемым вращательным свойствам галактик. Это не является успешной проверкой теории. Ведь он знал ответ еще до того, как создал уравнения.  

Чтобы проверить теорию Милгрома, исследователи должны были сравнить ее предсказания в других ситуациях, например, применить ее к движению больших скоплений галактик, удерживаемых вместе их взаимным гравитационным притяжением. И они сравнили. В результате, теория MOND не смогла сделать предсказание этого движения, которое бы согласовывалось с теорией, а также расходилось с другими наблюдениями.

Итак, где же мы находимся? А находимся мы в той восхитительной фазе научной загадки – загадки, которую все еще предстоит решить. Хотя большинство научного сообщества склоняется на сторону темной материи, но неспособность доказать ее существование заставляет некоторых из ученых гораздо серьезнее взглянуть на гипотезы, которые изменяют принятые теории гравитации и движения.

Если темная материя все-таки существует, то она в пять раз более распространена, чем обычная атомная материя. Если правильным ответом будет то, что нам необходимо пересмотреть наши законы движения и гравитации, это будет иметь значительные последствия для нашего моделирования истории Вселенной. Эксперимент LZ продолжает работать, исследователи стараются улучшить свои и без того впечатляющие результаты, и строят новые детекторы, надеясь найти темную материю и окончательно решить загадку.

Читайте также: Пришельцы из темного сектора. Мы абсолютно не знаем, что там происходит