что такое темная материя простым языком
Темная материя: что это такое, как мы узнаем, что она есть, и найдем ли мы ее?
Смоделированный вид распределения темной материи в нашей Вселенной
Это звучит как научная фантастика, чтобы сказать, что есть невидимые, необнаружимые вещи вокруг нас, и что у него есть жуткое название темной материи. Но есть много доказательств того, что этот материал очень реален. Так что же такое темная материя? Откуда мы знаем, что оно там? И как ученые его ищут?
Все, что мы видим вокруг – от растений до планет, от камней до звезд, от людей до скопления галактик Персея – состоит из материи. Но все это составляет лишь около 15 процентов от общего количества материи во Вселенной. Подавляющее большинство, то есть оставшиеся 85 процентов, не учитываются – и мы называем это темной материей.
Во всем мире предпринимаются огромные усилия, чтобы попытаться раскрыть, что же на самом деле представляет собой темная материя, но возникает естественный вопрос: если мы не можем ее увидеть, почувствовать, услышать, понюхать или попробовать на вкус, как мы узнаем, что она вообще существует?
Откуда мы знаем, что темная материя существует?
Все, что имеет массу, имеет гравитационное притяжение, и чем больше массы что-то имеет, тем сильнее становится эта сила. Но астрономы постоянно видят, что крупномасштабные объекты, такие как галактики и скопления, ведут себя так, как будто они имеют гораздо большую массу, чем то, что видно.
Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки был первым, кто предложил идею темной материи в 1933 году. Он изучал скопление галактик и обнаружил несоответствие: похоже, что их массы не хватает, чтобы объяснить, как быстро движутся эти галактики.
Открытие Цвики было только первым примером явно пропавшей массы. В конце 1970-х астрономы Вера Рубин и Кент Форд наблюдали за нашей соседней галактикой, Андромедой. Дуэт ожидал увидеть объекты на окраинах галактики, вращающиеся медленнее, чем те, что ближе к центру, но это было не так: вместо этого относительные скорости имели тенденцию выравниваться, а объекты на окраинах вращались гораздо быстрее, чем должна была позволить видимая масса.
Еще одним убедительным доказательством является гравитационное линзирование. Поскольку световые лучи искажаются гравитационными полями, огромные массы могут изгибать свет, проходящий мимо более удаленных объектов, и делать эти объекты более крупными или яркими, как космическое увеличительное стекло. В других случаях он может дублировать изображение объекта или даже «воспроизводить» такие события, как сверхновые. Опять же, это линзирование часто происходит сильнее, чем это должно быть возможно из видимой массы объекта в середине.
Темная история вселенной
Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру вселенной, которую мы видим сегодня.
В первые дни существования Вселенной все было относительно гладко. Мы можем видеть это сегодня на фоне космического микроволнового излучения, которое является излучением, которое было создано приблизительно через 400 000 лет после Большого взрыва. Независимо от того, в каком направлении мы смотрим, это излучение выглядит одинаково.
Так как же эволюционировала Вселенная от супергладких до комковатых скоплений? Это влияние темной материи.
Даже в спокойные ранние дни существования Вселенной в некоторых областях было чуть больше темной материи, чем в других. Эта дополнительная масса означала большую гравитацию, поэтому эти более плотные области притягивали регулярную материю, которая, в свою очередь, притягивала все больше и больше. В конечном счете жара и давление заставили эти очаги материи воспламениться как звезды, что дало толчок образованию планетных систем, галактик и кластеров, которые мы видим сегодня.
Тот факт, что вселенная структурирована так, как она есть, является еще одним свидетельством темной материи. Так что мы знаем, что она там. Но что именно это такое? И как ученые ее ищут?
Охота за темной материей
Эксперимент ABRACADABRA не обнаружил сигналов аксионов с массами от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт
Нелегко искать что-то невидимое и редко взаимодействующее с обычной материей. Итак, ученые начинают с теоретизирования того, что может быть темной материей, а затем разрабатывают и проводят эксперименты для проверки каждой гипотезы. Проблема в том, что темная материя может быть чем угодно.
Частицы темной материи могут быть одними из самых легких во Вселенной, или же они могут иметь массу карликовой планеты, или где угодно между ними. Темная материя может быть «горячей» или «холодной», что не имеет ничего общего с температурой, но описывает, как быстро она движется. Она может существовать в возбужденных состояниях, или иметь более низкую энергию.
Может ли ЦЕРН создать темную материю?
3D-рендеринг Большого адронного коллайдера
Различные типы экспериментов охотятся за различными теоретическими частицами темной материи. Пожалуй, самые известные эксперименты проводятся церном на Большом адронном коллайдере (LHC). Там ученые ищут темную материю, пытаясь создать ее.
В LHC протоны сталкиваются с чрезвычайно высокими энергиями, создавая поток других частиц. Иногда это экзотические частицы, к которым ученые обычно не имеют доступа, и есть надежда, что темная материя может быть среди них.
Опять же, если бы темная материя была произведена в одном из этих столкновений, было бы невозможно непосредственно обнаружить – вместо этого она просто выплыла бы из туннеля, не взаимодействуя с детектором. Но именно это необнаружение и ищут ученые.
Хотя LHC совершил квадриллионы этих столкновений за эти годы, до сих пор не было обнаружено никаких подозрительных сигналов темной материи. Но это помогает сузить широкий спектр возможностей, поэтому будущие поиски могут быть более целенаправленными.
Возможно, ответ, наконец, придет после того, как в 2026 году модернизация LHC будет завершена.
Прямое обнаружение темной материи
В то время как LHC ищет в одной части спектра возможностей, другие эксперименты пытаются обнаружить его по-разному. Эти исследования основываются на возможности того, что темная материя иногда может взаимодействовать с обычной материей другими способами, кроме гравитации.
Эта базовая концепция была реализована в различных экспериментах по всему миру. Детекторы обычно размещаются в глубоких подземных камерах, вдали от помех, таких как космические лучи или электромагнитные сигналы. И все они ищут различные гипотетические частицы темной материи, используя в качестве детектора различные вещества.
В экспериментах типа LUX и XENON1T использовались огромные емкости с ксеноном, чтобы попытаться обнаружить кандидата темной материи, известного как слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP). Идея заключается в том, что когда эти теоретические WIMP сталкиваются с атомом ксенона в резервуаре, они испускают вспышку света, которую могут обнаружить инструменты.
Другое предложение будет использовать вместо этого сверхтекучий гелий. Логика заключается в том, что гелий имеет гораздо более легкое атомное ядро, чем ксенон, поэтому он должен быть более чувствительным к удару темной материи. Это означает, что он может собирать частицы темной материи, которые в 10 000 раз легче, чем другие эксперименты.
В других экспериментах все происходит совершенно по-другому.
Представление камеры радиообнаружения аксионов.
Одним из ведущих кандидатов на роль темной материи является гипотетическая частица, называемая аксионом. Если бы они существовали, то были бы электрически нейтральными, очень легкими и дрейфовали бы повсюду волнами. Но самое главное, они должны иметь крошечные, но обнаруживаемые взаимодействия с электричеством и магнетизмом – и именно так они могут проявляться.
Эксперимент ABRACADABRA предназначен для поиска магнитного отпечатка аксионами. Идея состоит в том, что из-за того, как работают электромагнитные поля, в самом центре кольцевого магнита не должно быть магнитного поля. Так что, если вы установите его и посмотрите на середину, аксион может заявить о себе, если там возникнет самопроизвольное магнитное поле.
В похожей идее ученые из Стокгольмского университета предложили устройство, которое они называют «Аксион-радио». Детектор также использует мощный магнит, но в центре находится камера, заполненная холодной плазмой, которая содержит лес ультратонких проводов. На этот раз любые аксионы, проходящие через него, создадут небольшое электрическое поле, которое приведет к колебаниям в плазме.
Эксперимент nEDM ищет аксионы по-другому. Здесь нейтроны захватываются и электризуются, затем их спин контролируется. Высокое напряжение должно влиять на их скорость спина на определенной частоте – и если эта частота будет видна, что изменяется с течением времени, это может быть признаком аксионной интерференции.
Нулевые результаты не являются недействительными
Охота на темную материю продолжается
Каждый тест ищет кандидатов на темную материю в определенном диапазоне масс и с определенными свойствами, и по мере того, как мы вычеркиваем их из списка, мы все больше приближаемся к истине. И это помогает тому, что многие эксперименты получают обновления в будущем, которые сделают их еще более чувствительными.
Тем временем, часто предлагаются совершенно новые идеи. В последние годы ученые предположили, что темная материя может принимать форму сверхтяжелых гравитино, гексакварков d-star или даже «темной жидкости» с отрицательной массой, пронизывающей Вселенную.
Или, конечно, возможно, это просто математическое недоразумение, и какая-то невидимая и неизвестная сила создает эти странные гравитационные эффекты. Что бы это ни было, охота на темную материю далека от завершения.
Зачем нужна тёмная материя и можно ли обойтись без неё?
На удивление притягательная сила
По идее, гравитация должна быть силой предсказуемой. Мы с ней хорошо знакомы, благодаря ей мы твёрдо стоим на Земле, а наша атмосфера не улетает в космос. Если же взять более крупные масштабы, то эта сила повлияла на эволюцию самой Вселенной. Как же обидно, что иногда гравитация нас подводит. Дабы объяснить спиралевидное вращение галактик и скоплений галактик гравитацией в том виде, в котором мы её понимаем, нам нужно придумать совершенно новую форму материи, которую никто никогда не наблюдал воочию — тёмную материю. Чтобы объяснить ускорение расширения Вселенной, нам нужно выдумать настолько же загадочную сущность — тёмную энергию.
Но что если мы никогда до конца не понимали гравитацию? Что если где-то вне нашего поля зрения гравитация играет не по правилам?
Думать так — практически ересь, хотя такие идеи и не новы. Однако в последнее время свежие исследования галактик и неожиданные результаты из области квантовой информатики с новой силой подталкивают нас к тому, чтобы переосмыслить наше понимание гравитации. Появляются новые радикальные идеи, в которых наши представления о пространстве-времени и сущности гравитации основательно преобразовываются. В новой картине мира нет места тёмной материи, а тёмная энергия, вместо того, чтобы противостоять гравитации, может отчасти её порождать.
Практически всё, что мы знаем о гравитации, дали нам Исаак Ньютон и Альберт Эйнштейн. Ньютон объяснил нам, что сила притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а Эйнштейн — что гравитация появляется в результате искривления пространства-времени массивными объектами.
Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что на звёзды, более удалённые от центра галактики, сила тяготения действует слабее, чем на звёзды, расположенные ближе к центру галактики, поэтому скорость движения первых ниже. Однако в 1970-х годах астрономы, в их числе была Вера Рубин [Vera Rubin], заметили, что скорость звёзд, удалённых от центра галактик, уменьшалась не так, как предсказывалось. Вместо этого скорость выравнивалась, что можно было объяснить только присутствием какой-то невидимой материи, окружавшей галактики и создававшей дополнительное притяжение. С тех пор мы безуспешно пытаемся найти эту материю.
Игра не по правилам
В поисках, правда, участвовали далеко не все. В 1980-х годах Мордехай Милгром [Mordehai Milgrom], тогда работавший в университете Принстона, показал, что можно объяснить странности в скорости вращения галактик без участия тёмной материи. Для этого надо только отбросить идею того, что с увеличением расстояний гравитация всегда ведёт себя так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн. Теория Милгрома, известная как MOND (модифицированная ньютоновская динамика), предполагает, что сила притяжения ослабевает плавнее, чем утверждал Ньютон. Как только ускорение объекта, вызванное гравитацией, падает ниже определённого значения, а точнее становится в 82 миллиарда раз слабее, чем ускорение свободного падения на Земле, гравитация вдруг переключается в новый режим.
Милгром достиг определённых успехов, применяя свою теорию к спиралевидным галактикам, но MOND так и не получила распространения. Для начала, с её помощью нельзя было просчитывать скопления галактик, которые не могли бы формировать собственно скопления без участия тёмной материи или без внесения более радикальных изменений в теорию гравитации помимо тех, что допускала MOND. Плюс предлагаемые этой теорией изменения казались слишком случайными. С чего бы вдруг силе притяжения меняться в этой, казалось бы, произвольной точке?
И, однако же, MOND до сих пор остаётся на плаву и в неменьшей степени из-за того, что тёмная материя так и не была обнаружена. «Существуют две возможности, — говорит Джон Моффат [John Moffat] из Института теоретической физики Perimeter в Уотерлу, Канада, — либо мы найдём невидимый источник дополнительного притяжения и убедимся, что Ньютон и Эйнштейн были правы, либо мы не найдём ничего. В этом случае нам нужно будет дорабатывать гравитацию».
В прошлом году, возможно, наконец-то, настал переломный момент. Стейси МакГо [Stacy McGaugh], астроном из университета Case Western Reserve в Кливленде, штат Огайо, и его коллеги заново взглянули на более чем 150 спиральных галактик скожих с нашей галактикой Млечный Путь. Когда они сравнили расчётную силу притяжения со скоростью вращения диска галактик, они обнаружили, что ближе к краю диска звёзды вращаются с аномально высокими скоростями.
И что из этого? Ведь именно такое поведение мы уже неоднократно наблюдали и ранее, а объяснить его можно, окутав галактику облаком тёмной материи. Однако при статистической оценке МакГо использовал перекрёстный контроль. Он взял всю видимую материю во всех галактиках и сравнил силу притяжения этой материи в каждой точке со скоростью вращения близлежащих звёзд. В результате он получил на удивление тесную взаимосвязь между скоростью вращения галактик и распределением видимой материи, которую они содержат.
Ли Смолин [Lee Smolin], теоретик из института Perimeter в Канаде, был поражён. Такая взаимосвязь «равносильна закону природы», — говорит он. Такого не ожидаешь увидеть, если на галактики оказывает влияние что-то кроме видимой материи.
Ещё более удивителен тот факт, что эта тесная взаимосвязь между видимой материей и движением звёзд сохраняется в широком ряду разных галактик, даже при том, что тёмная материя в них распределена по-разному. Тёмная материя не должна безропотно следовать за обычным веществом. Поэтому либо она взаимодествует с обычной материей или самой собой сильнее, чем то предсказывает простая модель, либо что-то не так с гравитацией.
Работа МакГо не единственная причина, заставившая нас снова поднять этот еретический вопрос. Одна из самых больших проблем для MOND это поведение скоплений галактик. Как и звёзды на краю галактик, галактики на краю скоплений тоже движутся слишком быстро — факт, который объясняется с помощью тёмной материи. Наблюдение эффекта гравитационного линзирования (небольшое искривление света гравитационным полем массивных объектов) предполагает, что дополнительная сила, придающая скорость галактикам, находится не там, где видимая материя. Просто невозможно объяснить поведение скоплений галактик без участия невидимой материи, по крайне мере так считается.
Самый известный пример — скопление Пуля (Bullet CLuster 1E 0657-558, заглавное изображение), названное так за схожесть с замедленным изображением пули, разрывающей на части мишень. Для многих охотников за тёмной материей это лучшее доказательство того, что охотятся они на этого зверя не зря, и он существует. Но Павел Крупа [Pavel Kroupa] из Боннского университета в Германии утверждает обратное — это высокоскоростное межгалактическое столкновение можно объяснить только теорией MOND.
«Сравнение с образом пули, попадающей в мишень, это конечно же шутка для широких масс», — говорит он. Крупа утверждает, что в реалистичных временных рамках стандартная гравитация слишком слабая сила, чтобы вызывать такие горячие и неистовые столкновения галактик, как мы наблюдаем в скоплении Пуля. Тёмная материя на начальных этапах столкновения способна придать ему ту высокую скорость, что мы наблюдаем, но всем последующим взаимодействиям она уже будет мешать. «Гало тёмной материи напоминает паутину», — говорит Крупа. «Оно захватывает любую попавшуюся на его пути галактику». Поэтому пару столкнувшихся галактик, которые продолжают двигаться на больших скоростях даже после столкновения, очень трудно объяснить. «Это большая, большая проблема для стандартной модели космологии», — говорит Крупа. «Но с модифицированной гравитацией… такой проблемы не существует».
Суть MOND в том, что на галактических и межгалактических расстояниях, где мы не можем напрямую измерить силу гравитации, она сильнее, чем мы думали. И именно это, а не какая-то невидимая материя, будет самым простым объяснением того, почему материя в таких масштабах движется быстрее и сталкивается сильнее, чем то предсказывают Ньютон и Эйнштейн.
Это не значит, что у теории MOND нет определённых проблем, когда речь заходит о взаимодествии внутри скоплений галактик. В скоплении Пуля с помощью телескопов мы выявили два выраженных места, где гравитационное линзирование проявляется сильнее, а значит там более высокая концентрация массы, которая не совпадает с количеством наблюдаемой нами в этих же местах обычной материи.
Милгром настаивает, что эта проблема не такая страшная угроза для его модели, как считают многие. «Достаточно всего лишь небольшого количества неучтённой массы, которая может оказаться самой обычной материей, например, погибшими звёздами или облаками холодного газа, которые мы ещё не обнаружили», — говорит он.
Но пока наблюдениями это не подтверждено, другие учёные ищут теоретические решения этой проблемы. Одно такое решение представляет собой гибридную модель, в которой тёмная материя ведёт себя как оборотень — она беспрепятственно проходит через галактики, создавая дополнительную силу притяжения, согласующуюся с теорией MOND, но в скоплениях галактик она ведёт себя как обычная тёмная материя.
Ещё один вариант, который неожиданно снова вошёл в моду — модифицировать MOND. Именно этим и занимается Моффат. В его понимании сила притяжения изменяется после добавления силы отталкивания, которая в свою очередь зависит от расстояния, из-за чего на небольших расстояниях сила притяжения подчиняется закону обратных квадратов Ньютона, но на окраинах галактики она слабеет. В такой картине мира гравитация сильнее, чем считал Ньютон, и ведёт себя она так, как предсказывает MOND.
Моффат утверждает, что его теория может объяснить вращение галактик и аномальные скорости в скоплении Пуля. Но главной особенностью его теории является то, что вблизи чёрных дыр силы притяжения сильнее, чем предсказывает даже MOND, что, возможно, даст нам шанс проверить эту теорию.
Если бы мы могли посмотреть на чёрную дыру, мы бы увидели чёрный диск, окружённый тенью, вызванной чрезвычайно сильным гравитационным линзированием. В 2015 году Моффат подсчитал, что согласно его теории тень вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути будет в 10 раз больше, чем предсказывает ОТО. И тут на сцену выходит Event Horizon
Telescope (EHT) — глобальная сеть радиотелескопов, запуск которой намечен на апрель этого года, впервые способная получить подробные изображения чёрных дыр. По крайней мере теоретически мы сможем наблюдать эту раздутую тень, если, конечно, она вообще там есть.
Однако что бы мы не выбрали, традиционную теорию MOND или модифицированную гравитацию Моффата, существует огромная проблема, на которую нельзя закрыть глаза — вопиющее отсутствие основополагающей теории. С чего вдруг гравитации отклоняться от того курса, который проложили для неё Ньютон и Эйнштейн, да ещё и, казалось бы, в случайной точке? Ответ на этот вопрос можно получить, если радикальным образом пересмотреть наше понимание сущности гравитации.
В прошлом году Эрик Ферлинде [Erik Verlinde] из Университета Амстердама в Нидерландах предложил свежую точку зрения по этому вопросу. Гравитация, как считает он, возникает не сама по себе, а в результате взаимодействий между запутанными битами квантовой информации.
Запутанность — это глубокая и одновременно глубоко парадоксальная связь между парами или группами частиц, когда воздействие на одну частицу вызывает реакцию у других, даже если их разделяют большие расстояния. Физики уже с конца 1990-х годов научились получать Ньютоновскую и Эйнштейновскую гравитацию с помощью сетей запутанных квантовых битов. Проблема в том, что работает это только в теоретической вселенной известной как Пространство анти-де Ситтера, которая ведёт себя не так, как вселенная, где мы живём.
Ключевая разница заключается в том, что в нашей вселенной вакуум не такой спокойный и неподвижный. Он бурлит тёмной энергией, таинственным веществом или силой, которая, как считается, ответственна за ускорение расширения пространства-времени.
Вместо того, чтобы пытаться решить эту проблему, Ферлинде взглянул на то, как гравитация, вызванная взаимодействием между запутанными битами квантовой информации, ведёт себя во вселенной, где есть тёмная энергия. В результате он получил новую картину гравитации, в которой тёмная энергия придаёт запутанности квантовых битов что-то вроде дополнительной эластичности.
«Получается так, как будто тёмная энергия это эластичная среда, — говорит Ферлинде, — и если внести туда массу, она деформирует эту среду». Дополнительная эластичность, добавляет он, создаваемая тёмной энергией, подпитывает силу притяжения на больших расстояниях, что в итоге приводит к появлению дополнительных эффектов на расстоянии, которые напоминают теорию Милгрома MOND.
Идеи Ферлинде произвели большое впечатление, но пока непонятно насколько они вообще связны. «Он начинает с тёмной энергии, и говорит, что это ведёт к чему-то, что напоминает тёмную материю», — говорит Сабина Хоссенфельдер [Sabine Hossenfelder] из Франкфуртского института передовых исследований в Германии. «Он всеми силами старается увязать свои гипотезы с большим предположением, которое в последнии годы набрало большую популярность, о том, что пространство-время возникает из запутанности. Но я не уверена, что в этом есть необходимость».
В одном из недавних исследований было обнаружено, что если принять точку зрения Ферлинде на гравитацию, то можно объяснить аномалии в гравитационном линзировании наблюдаемом вблизи около 30 000 галактик. Но его теория подверглась критике за то, что она делает предсказания, которые фактически расходятся с MOND. В одной научной работе в со-авторстве с МакГо, например, говорится, что теория Ферлинде расходится с MOND в главном — объяснение аномального вращения галактик. Помимо этого его теория предсказывает движение планет, которое мы фактически не наблюдаем в нашей Солнечной системе.
Смолин со своей стороны предложил более скромную попытку вывести MOND-физику из принципов квантовой гравитации, и, в отличие от теории Ферлинде, его результаты не расходятся с теорией MOND. Никто из них не заявляет, что он получил полную теорию квантовой гравитации. Но одно становится ясно — на вопрос, почему гравитация ведёт себя так странно на больших расстояниях, теоретики начали получать ответы.
«Мы не знаем, куда заведёт нас окончательная теория, потому что мы её ещё не вывели», — говорит МакГо. «Поэтому перед тем как продвинуться вперёд, нам никуда не деться от поры разброда и шатаний».