Темная материя — очередная загадка Вселенной

В статье автор описывает историю открытия, гипотезы существования и предполагаемый состав Темной материи.

Ключевые слова: астрономия, астрофизика, Темная материя, Вселенная.

Астрофизика полна противоречий, загадок и неизведанных тайн, которые еще предстоит раскрыть. Одна из таких тайн, которая уже долгие десятилетия тревожит умы ученых по всему миру — Темная материя (от англ. Dark matter) (рисунок 1). Этот термин обозначает форму материи, порожденной большим взрывом, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, то есть не испускает его и не поглощает, следовательно невидима для человеческого глаза. Несмотря на то, что уловить Темную материю с помощью приборов не предоставляется возможным на сегодняшний день, однако о наличии можно судить по ее гравитационному взаимодействию с «обычной», излучающей материей. Это означает, что она имеет массу, более того огромную. Предполагается, что практически вся масса вселенной заключается именно в Темной материи. Бесспорность ее существования неоспорима, пусть человечество пока и не может получить «наглядного» доказательства.

Рис. 1. Темная материя схематично

Об этом свидетельствуют множественные исследования. Впервые идея существования некой загадочной материи всплыла на страницах истории в 1844 г. и была использована немецким астрономом Фридрихом Бесселем. В письме к Карлу Гауссу он повествовал о своем наблюдении: необъясненной неравномерности в движении Сириуса. Астроном предполагал, что причиной этого может являться результат его гравитационного взаимодействия с некоторым неизвестным соседним телом, имеющим достаточно большую массу для такого влияния. В 1862 году эта теория окончательно подтвердилась — объектом, кардинально изменяющим траекторию звезды, оказался белый карлик, получивший название Сириус-Б, в то время как сам Сириус был назван Сириус-А.

Однако, как таковой, термин «Темная материя» появился далеко не сразу — только в 1906 году. Вероятнее всего, впервые он был использован французским физиком и математиком Андри Пуанкаре: «Множество наших звезд, возможно, даже их подавляющее большинство, могут быть темными телами (фр. corps sombres, англ. dark bodies)» [5]. Но подтвердить факт существования загадочной материи удалось многим позже. В начале ХХ века большое количество ученых (таких как Анри Пуанкаре, Эрнст Эпик, Якобус Каптейн) были убеждены, что Темная материя или существует в малых количествах, или не существует вовсе. Причиной таких подозрений было отсутствие видимых доказательств. Но уже в 1922 году британский астроном Джеймс Джинс сделал совершенно иное заявление: на каждую видимую звезду приходится 2 «темных». Десяток лет спустя нидерландцем Яном Оортом была опубликована статья, которая дала более точное представление о плотности Темной материи.

Несмотря на столь громкие заявления и догадки ученых того времени, серьезные исследования такого субъекта как Темная материя начались с работ Фрица Цвикки только в 1933 году. Основная идея исследования заключалась в том, что швейцарский астроном измерил скорости, с которыми восемь галактик в скоплении Кома из созвездия Волосы Вероники (одно из самых больших известных скоплений на сегодняшний день, которое включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат был неожиданным: скорости галактик оказались гораздо больше, чем ожидалось, основываясь на наблюдаемой суммарной массе скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, оставалось невидимой для человека. Таким образом астроном заключил, что масса этой загадочной материи должна превосходить массу входящих в нее звезд более чем в 400 раз (в то время как Якобус Каптейн утверждал, что она должна быть больше всего в 2 раза): «Если это подтвердится, то мы придем к поразительному выводу — что количество Темной материи гораздо больше, чем светящейся». В 1937 году Фриц Цвикки уточнил свои расчеты. В статье того года впервые присутствовало упоминание «Темной материи, содержащейся в туманностях в виде холодных звезд, других твердых тел и газов». Несмотря на некоторые нюансы вычислений (ошибочное, примерно в 8 раз большее значение постоянной Хаббла) это предположение стало фундаментом в заложении концепции Темной материи.

С течением времени неоспоримых доказательств существования загадочной материи становилось все больше и больше. В бесчисленном множестве исследований и теорий, одними из основных доказательств являются:

Рис. 2. Рассчитанная и измеренная скорость вращения звезд в зависимости от расстояния до центра галактики

— динамика галактик-спутников возле массивных галактик. Мелкие галактики движутся вокруг крупных по тем же законам, что и звезды в периферии, о чем было упомянуто выше. Научно доказано, что массы этих галактик превосходят предполагаемые в разы. В 70-е годы изучением этого раздела астрономии занималась американка Вера Рубин. В соответствии с законами Кеплера (которые следуют из закона всемирного тяготения Ньютона , где F — сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками, m1 и m2 — массы этих точек, r — расстояние между точками, G — гравитационная постоянна), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной даже на значительном удалении от центра. Ученая объяснила это тем, что плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должна обеспечивать невидимая нашему глазу Темная материя;

— общая теория относительности, которая связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. Основываясь на предположительной кривизне пространства равной 0, эта плотность должна быть равна 10–29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95 % от массы Вселенной и являются Темной материей.

— гравитационное линзирование, что означает сильное отклонение электромагнитного излучения далекого объекта в связи с действием на него гравитации другого, более массивного объекта. Объяснение этого явления следует из теории относительности;

— оценка критической плотности Вселенной. Полная плотность массы вещества Вселенной составляет лишь около 20–30 %. Это означает, что вся остальная масса и является Темный веществом, скрытым от наших глаз (которого по расчетам должно быть практически в 5 раз больше);

— галактический парадокс. Как мы знаем, процесс формирования галактик начался примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва. Расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, было невозможно скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не могло собраться в галактики, которые мы привыкли видеть сегодня. Тогда появилось предположение, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой Темной материи. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц Темной материи и уже потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной [4].

Однако, что касается визуальных доказательств, то предполагаемая Темная материя впервые была замечена только в 1995 году телескопом «Хаббл», который зафиксировал, что одна из звезд Большого Магелланова облака вдруг вспыхнула ярче обычного (рисунок 3). Это свечение продолжалось некоторое время, но уже через три месяца звезда внезапно вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом с ней появился едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, исказил пространство благодаря своей огромной массе, тем самым создав гравитационную линзу, усиливающую свет звезды.

Рис. 3. Вспыхнувшая звезда Большого Магелланова облака

Но если с течением времени астрофизика все больше утверждала гипотезу о существовании Темной материи, то вопрос, из чего же она состоит, оставался и остается для ученых загадкой. Основная теория заключается в том, что эти загадочные частицы еще не были открыты учеными. Одним из таких примеров могут являться аксионы — гипотетические частицы, которые имеют нулевой заряд и при взаимодействии распадаются на два протона [1].

Помимо этого, одним из предположений стало существование Барионной темной материи (которая, по данным исследователей, составляет около 4–5 % от Темной материи). Барионное вещество практически не испускает собственного излучения, крайне слабо взаимодействует электромагнитным образом и потому невидимо для человека. Вариация объектов, теоретически подходящих под такое описание, довольно широка: это могут быть как коричневые, красные и белые карлики, так и нейтронные звезды или даже черные дыры. Эксперименты, основанные все на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, расположенных на периферии дисков галактик. Для этого ученым потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, его яркость на некоторый промежуток времени изменяется. Для удобства этой теории астрофизик Ким Грайст создал термин MACHO (от англ. massive astrophysical compact halo object). Помимо вышеперечисленных объектов, через некоторое время было выдвинуто предположение, что частицами Темной материи могли являться максимионы (гипотетически планковские черные дыры), которые являются конечным продуктом обычных черных дыр, или же наоборот, первичные черные дыры, образовавшиеся в самом начале расширения Вселенной, сразу после Большого взрыва. Каждая из этих идей имеет место быть, однако, основываясь на научных исследованиях, каждый их этих объектов теоретически может составлять лишь малую часть от Темной материи.

Но стоит заметить, что это вовсе не первые кандидаты на роль частиц загадочной материи. Впервые в таком контексте были упомянуты нейтрино, принадлежащие к Небарионной темной материи, которые имели веское преимущество: они уже были описаны в рамках Стандартной модели (чего нельзя сказать о других кандидатах на эту роль) [2].

Такие слабо взаимодействующие массивные элементарные частицы получили название WIMP (от англ. Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность их состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Интересно, что с течением времени, из-за несостыковок в предположениях, начали возникать гипотезы и о существовании разновидностей нейтрино: тяжелые нейтрино или стерильные, которые недостаточно сильны даже для участия в слабых взаимодействиях.

Таким образом огромное количество трудов и десятков лет было потрачено на изучение учеными Темной материи. Однако почему людям так важен факт существования этой астрономической загадки? Ее значение для человечества довольно велико, и изучение Темной материи уже давно перестала быть проблемой только лишь для астрофизиков. Над изучением загадочной, невидимой материи работают тысячи ученых по всему миру с целью узнать тайну ее происхождения и существования. Потому как открыв ответ на этот один из самых сложных вопросов астрофизики, человечество колоссально продвинется на пути к понимаю нашего мира и его создания. Это будет огромный, неоценимый вклад в науку, который откроет совершенно новые горизонты для последующего изучения строения Вселенной [3].

Литература:

1. Дементьев А. Популярная астрофизика. Философия космоса и пятое измерение. — М.: АСТ, 2022.
2. Хокинг С. Краткая история времени. — М.: АСТ, 2019.
3. Хокинг С., Млодинов Л. Высший замысел — М.: АСТ, 2021.
4. https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430380/Temnaya_materiya
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Темная_материя