Что есть черная материя в космосе. В массовой культуре

Мы стоим на пороге открытия, способного изменить суть наших представлений о Мире. Речь идет о природе темной материи. В последние годы астрономия сделала важнейшие шаги в наблюдательном обосновании темной материи, и сегодня существование такого вещества во Вселенной можно считать твердо установленным фактом. Особенность ситуации состоит в том, что астрономы наблюдают структуры, состоящие из неизвестного физикам вещества. Так возникала проблема идентификации физической природы этой материи.

1. "Принеси то, не знаю что"

Современной физике элементарных частиц неизвестны частицы, обладающие свойствами темного вещества. Требуется расширение Стандартной модели. Но как, в каком направлении двигаться, что и где искать? Слова из известной русской сказки, вынесенные в заголовок этого раздела, как нельзя лучше отражают текущую ситуацию.

Физики ищут неизвестные частицы, имея только общие представления о свойствах наблюдаемой материи. Каковы же эти свойства?

Мы знаем лишь то, что темное вещество взаимодействует со светящимся (барионами) гравитационным образом и представляет собой холодную среду с космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Вследствие столь простых свойств темная материя прямо влияет на развитие гравитационного потенциала Вселенной. Контраст ее плотности усиливался с течением времени, приводя к образованию гравитационно-связанных систем гало темного вещества.

Следует подчеркнуть, что этот процесс гравитационной неустойчивости мог быть запущен во фридмановской Вселенной только при наличии затравочных возмущений плотности, само существование которых никак не связано с темной материей, а обусловлено физикой Большого взрыва. Поэтому встает другой важнейший вопрос о возникновении затравочных возмущений, из которых развилась структура темной материи.

Вопрос о генерации начальных космологических возмущений мы рассмотрим несколько позднее. А сейчас вернемся к темной материи.

В гравитационные ямы концентраций темной материи захватываются барионы. Поэтому, хотя частицы темной материи и не взаимодействуют со светом, свет находится там, где есть темное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения темной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского диапазона.

Независимым подтверждением наших выводов о свойствах темной материи и о других параметрах Вселенной служат данные об анизотропии и поляризации реликтового излучения, о распространенности легких элементов во Вселенной, о распределении линий поглощения вещества в спектрах далеких квазаров. Все большую роль играет численное моделирование, заменившее собой эксперимент в космологических исследованиях. Ценнейшая информация о распределении темного вещества содержится в многочисленных наблюдательных данных о гравитационном линзировании далеких источников близлежащими сгустками материи.

Рис. 1. Фотография неба в направлении на скопление галактик 0024 + 1654, полученная на телескопе "Хаббл".

На рисунке 1 показан участок неба в направлении на один из таких сгустков темной массы ($\sim 10^{14}M_{odot}$). Мы видим скопление галактик, захваченных гравитационным полем этого сгустка, горячий рентгеновский газ, покоящийся на дне ямы гравитационного потенциала, и множественное изображение одной из галактик фона, оказавшейся на луче зрения темного гало и искаженной его гравитационным полем.

Таблица 1. Основные космологические параметры

В таблице 1 приведены средние значения космологических параметров, полученные из астрономических наблюдений (точность 10%). Очевидно, суммарная плотность энергии всех видов частиц во Вселенной не превышает 30 % полной критической плотности (вклад нейтрино не более нескольких процентов). Остальные 70% находятся в форме, не принимавшей участия в гравитационном скучивании вещества. Таким свойством обладает лишь космологическая постоянная или ее обобщение - среда с отрицательным давлением ($|\varepsilon + p|\ll\varepsilon $), получившая название "темная энергия". Определение природы последней является дальней перспективой развития физики.

Данный доклад посвящен вопросам физической космологии, решение которых ожидается уже в ближайшие годы. В первую очередь это касается определения начальных условий для образования структур темной материи и поиска самих неизвестных частиц.

2. Ранняя Вселенная и поздняя Вселенная

Наблюдаемая структура Вселенной - результат совместного действия стартовых условий и эволюции поля возмущений плотности. Современные наблюдательные данные позволили определить характеристики поля возмущений плотности в разные эпохи его развития. Тем самым удалось разделить информацию о начальных условиях и об условиях развития, что положило начало независимому исследованию физики ранней и поздней Вселенной.

Под термином "ранняя Вселенная" в современной космологии подразумевают заключительную стадию ускоренного расширения с последующим переходом к горячей фазе эволюции. Нам неизвестны параметры Большого взрыва, имеются только верхние ограничения (см. раздел 3, соотношения (12)). Однако существует хорошо разработанная теория генерации космологических возмущений, в соответствии с которой мы можем рассчитать спектры начальных возмущений плотности вещества и первичных гравитационных волн в зависимости от значений космологических параметров.
Причины отсутствия общепринятой модели ранней Вселенной кроются в устойчивости предсказаний инфляционной парадигмы Большого взрыва - близости генерируемых спектров к плоскому виду, относительной малости амплитуды космологических гравитационных волн, трехмерной евклидовости видимой Вселенной и др., - которые могут быть получены в широком классе параметров моделей. Моментом истины для построения модели ранней Вселенной могло бы стать открытие космологических гравитационных волн, которое представляется возможным в случае успешного проведения международного космического эксперимента "Planck", который должен начаться в 2008 г.

Наши знания о поздней Вселенной диаметрально противоположны. Мы располагаем достаточно точной моделью - знаем состав материи, законы развития структуры, значения космологических параметров (см. табл. 1), но в то же время не имеем общепринятой теории происхождения компонент материи.

Известные нам свойства видимой Вселенной позволяют описать ее геометрию в рамках теории возмущений. Малым параметром ($10^{-5}$) является амплитуда космологических возмущений.

В нулевом порядке Вселенная является фридмановской и описывается единственной функцией времени -масштабным фактором $a(t)$. Первый порядок устроен несколько сложнее. Возмущения метрики являются суммой трех независимых мод - скалярной $S(k)$, векторной $V(k)$ и тензорной $T(k)$, каждая из которых характеризуется своей спектральной функцией волнового числа $k$. Скалярная мода описывает космологические возмущения плотности, векторная мода отвечает за вихревые движения вещества, а тензорная мода - это гравитационные волны. Таким образом, вся геометрия описывается с помощью четырех функций: $a(t),~ S(k),~ V(k)$ и $Т(k)$, из которых сегодня нам известны лишь первые две (в некоторых областях определения).

Большой взрыв представлял собой катастрофический процесс быстрого расширения, сопровождаемый интенсивным быстропеременным гравитационным полем. В ходе космологического расширения возмущения метрики спонтанно рождались параметрическим образом из вакуумных флуктуации, как рождаются любые безмассовые степени свободы под действием внешнего переменного поля. Анализ наблюдательных данных свидетельствует о квантово-гравитационном механизме рождения затравочных возмущений. Тем самым крупномасштабная структура Вселенной является примером решения проблемы измеримости в квантовой теории поля.

Отметим основные свойства рожденных полей возмущений: гауссова статистика (случайные распределения в пространстве), выделенная временная фаза ("растущая" ветвь возмущений), отсутствие выделенного масштаба в широком диапазоне длин волн, ненулевая амплитуда гравитационных волн. Последнее имеет решающее значение для построения модели ранней Вселенной, поскольку, имея простейшую связь с фоновой метрикой, гравитационные волны несут прямую информацию об энергетическом масштабе Большого взрыва.

В результате развития скалярной моды возмущений образовались галактики и другие астрономические объекты. Важным достижением последних лет (эксперимент WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)) стали серьезные уточнения наших знаний по анизотропии и поляризации реликтового излучения, которые возникли задолго до появления галактик в результате воздействия на распределение фотонов всех трех мод космологических возмущений.

Совместный анализ наблюдательных данных о распределении галактик и анизотропии реликтового излучения позволил разделить стартовые условия и эволюцию. Воспользовавшись условием, что сумма $S+V+T\approx 10^{-10}$ фиксирована величиной анизотропии реликтового излучения, можно получить верхнее ограничение на сумму вихревой и тензорной мод возмущений во Вселенной (их детектирование возможно лишь с увеличением точности наблюдений):
$$\frac{V+T}{S} В случае, если бы неравенство (1) было нарушено, величина возмущений плотности оказалась бы недостаточной для образования наблюдаемой структуры.

3. Вначале был звук...

Эффект квантово-гравитационного рождения безмассовых полей хорошо изучен. Так могут рождаться частицы вещества (см., например, ) (хотя, в частности, реликтовые фотоны возникли вследствие распада протоматерии в ранней Вселенной). Таким же образом происходит генерация гравитационных волн и возмущений плотности , поскольку эти поля тоже относятся к безмассовым и их рождение не запрещено пороговым энергетическим условием. Задача о генерации вихревых возмущений еще ждет своих исследователей.

Теория $S$- и $T$-мод возмущений во фридмановской Вселенной сводится к квантово-механической задаче о независимых осцилляторах $q_k(\eta)$, находящихся во внешнем параметрическом поле ($\alpha(\eta)$) в мире Минковского с временной координатой $\eta=\int dt/a$. Действие и лагранжиан элементарных осцилляторов зависят от их пространственной частоты $k \in (0, \infty)$:
$$S_k = \int L_kd\eta,~\;\;\;L_k=\frac{\alpha^2}{2k^3}(q’^2-\omega^2q^2)~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (2)$$
где штрих обозначает производную по времени $\eta$, $\omega=\beta$- частота осциллятора, $\beta$ - скорость распространения возмущений в единицах скорости света в вакууме (здесь и далее $c=\hbar =1$, индекс $k$ у поля $q$ опущен); в случае $T$-моды $q = q_T$ является поперечно-бесследовой компонентой метрического тензора,
$$\alpha^2_T=\frac{a^2}{8\pi G}~\;\;\;\beta=1, ~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (3)$$
а в случае $S$-моды $q = q_s$ - линейная суперпозиция продольного гравитационного потенциала (возмущение масштабного фактора) и потенциала 3-скорости среды, умноженного на параметр Хаббла ,
$$\alpha^2_S=\frac{a^2\gamma}{4\pi G\beta^2},\;\;\gamma=\frac{\dot{H}}{H^2},\;\;H=\frac{\dot{a}}{a},~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (4)$$
точка означает производную по времени $t$.

Как видно из (3), поле $q_T$ фундаментально, поскольку оно минимальным образом связано с фоновой метрикой и не зависит от свойств материи (в общей теории относительности скорость распространения гравитационных волн равна скорости света). Что касается $q_S$, то его связь с внешнем полем (4) более сложна: она включает в себя как производные от масштабного фактора, так и некоторые характеристики вещества (например, скорость распространения возмущений в среде). Мы ничего не знаем о протоматерии в ранней Вселенной - существуют только общие подходы к этому вопросу.
Обычно рассматривается идеальная среда с тензором энергии-импульса, зависящим от плотности энергии $\epsilon$, давления $p$ и 4-скорости материи $u^\mu$. Для $S$-моды 4-скорость потенциальна и представима в виде градиента 4-скаляра $\phi$:
$$T_{\mu\nu}=(\epsilon + p)u_\mu u_\nu-pg_{\mu\nu},\;\;u_\mu=\frac{\phi_{,\mu}}{w},~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (5)$$
где $w^2=\phi_{,\mu}\phi_{,\nu} g^{\mu\nu}$ - нормировочная функция, запятая в нижнем индексе означает производную по координате. Скорость звука задается с помощью "уравнения состояния" как коэффициент пропорциональности между сопутствующими возмущениями давления и плотности энергии материи:
$$\delta p_c=\beta^2\delta\epsilon_c,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (6)$$
где $\delta X_c\equiv\delta X – v\dot{X}$, $v\equiv\delta\phi /w$ - потенциал 3-скорости среды.

В линейном порядке теории возмущений концепция идеальной среды эквивалентна полевой концепции, в соответствии с которой материальному полю $\phi$ приписывается лагранжева плотность, $L=L(w,\phi)$. В полевом подходе скорость распространения возбуждений находится из уравнения
$$\beta^{-2}=\frac{\partial\ln|\partial L/\partial w|}{\partial\ln|w|},~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (7)$$
что также соответствует соотношению (6). В большинстве моделей ранней Вселенной предполагается, что $\beta\sim 1$ (в частности на радиационно-доминированной стадии $\beta=1/\sqrt{3}$).

Эволюция элементарных осцилляторов описывается уравнением Клейна-Гордона
$$\bar{q}’’+(\omega^2-U) \bar{q}=0,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (8)$$
где
$$\bar{q}\equiv\alpha q,\;\;U\equiv\frac{\alpha ""}{\alpha},~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (9)$$
Решение уравнения (8) имеет две асимптотические ветви поведения: адиабатическую ($\omega^2>U$), когда осциллятор находится в режиме свободных колебаний и его амплитуда возбуждения затухает ($|q|\sim(\alpha\sqrt{\beta})^{-1}$), и параметрическую ($\omega^2

Количественно, спектры рожденных возмущений зависят от начального состояния осцилляторов:
$$T\equiv 2\langle q_T^2\rangle,\;\;\;S\equiv\langle q_S^2\rangle,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (10)$$
коэффициент 2 в выражении для тензорной моды учитывает две поляризации гравитационных волн. Состояние $\langle\rangle$ принято считать основным, т.е. соответствующим минимальному уровню начального возбуждения осцилляторов. В этом состоит главная гипотеза теории Большого взрыва. При наличии адиабатической зоны основное (вакуумное) состояние элементарных осцилляторов является единственным .
Таким образом, предполагая, что функция U возрастает с течением времени и $\beta\sim 1$, получаем универсальный общий результат для спектров $T(k)$ и $S(k)$:
$$T\approx\frac{(1-\gamma/2)H^2}{M_P^2},\;\;\;\frac{T}{S}\approx4\gamma~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (11)$$
где $k=\sqrt{U}\approx aH$, а $M_p\equiv G^{-1/2}$ - планковская масса. Как видно из (11), в теории мода $T$ никак не подвергается дискриминации по отношению к моде $S$. Все дело в величине фактора $\gamma$ в эпоху генерации возмущений.
Из наблюдаемого факта малости $T$-моды в нашей Вселенной (см. раздел 2, соотношение (1)), получаем верхнее ограничение на энергетический масштаб Большого взрыва и на параметр $\gamma$ в ранней Вселенной:
$$H Последнее условие означает, что Большой взрыв носил инфляционный характер ($\gamma Мы располагаем важнейшей фазовой информацией: поля рождаются в определенной фазе, параметрически усиливается только растущая ветвь возмущений. Поясним это на примере задачи рассеяния, полагая, что $U = 0$ на начальной (адиабатической) и конечной (радиационно-доминированной, $a\propto n$) стадиях эволюции (см. рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация решения уравнения (8) в постановке задачи рассеяния

Для каждой из вышеупомянутых асимптотик общее решение имеет вид
$$\bar{q}=C_1\sin\omega\eta+C_2\cos\omega\eta,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (13)$$
где операторы $C_{1,2}$ задают амплитуды "растущей" и "падающей" ветвей эволюции. В вакуумном состоянии начальная временная фаза поля произвольна: $\langle|C_1^{(in)}|\rangle=\langle|C_2^{(in)}|\rangle$. Однако в результате решения уравнений эволюции оказывается, что на радиационно-доминированной стадии в выигрыше остается лишь растущая ветвь звуковых возмущений: $\langle|C_1^{(out)}|\rangle\gg\langle|C_2^{(out)}|\rangle$. К моменту отсоединения излучения от вещества в эпоху рекомбинации радиационный спектр промодулирован с фазой $k=n\pi\sqrt{3}/\eta_{rec}$, где $n$ - натуральное число.

Рис. 3. Проявление звуковой модуляции в спектре анизотропии реликтового излучения. (По данным экспериментов WMAP, ACBAR (Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver), BOOMERANG (Ballon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation ANd Geophysics), CBI (Cosmic Background Imager), VSA (Very Small Array).)

Именно эти акустические колебания наблюдаются в спектрах анизотропии реликтового излучения (рис. 3, большой пик соответствует $n = 1$) и возмущений плотности, что подтверждает квантово-гравитационное происхождение $S$-моды. В спектре возмущений плотности звуковая модуляция подавлена фактором малости доли барионов относительно полной плотности вещества, что дает возможность найти эту долю независимо от других космологических тестов. Сам масштаб осцилляции служит примером стандартной линейки, по которой определяют важнейшие параметры Вселенной. В связи с этим следует подчеркнуть, что острота проблемы вырождения космологических параметров в наблюдательных данных, долгие годы препятствовавшая построению реальной модели Вселенной, сегодня снята благодаря обилию независимых и дополняющих друг друга наблюдательных тестов.

Подводя итог, мы можем констатировать, что проблема образования начальных космологических возмущений и крупномасштабной структуры Вселенной сегодня в принципе решена. Окончательное подтверждение теория квантово-гравитационного происхождения возмущений в ранней Вселенной получит после обнаружения $T$-моды, что может случиться уже в ближайшее время. Так, простейшая модель Большого взрыва (степенная инфляция на массивном скалярном поле) предсказывает значение амплитуды $T$-моды всего лишь в 5 раз меньше амплитуды $S$-моды . Современные инструменты и технологии вполне позволяют решить задачу о регистрации столь малых сигналов по данным наблюдений анизотропии и поляризации реликтового излучения.

4. Темная сторона материи

Имеется несколько гипотез о происхождении материи, но ни одна из них пока не подтверждена. Существуют прямые наблюдательные указания, свидетельствующие о том, что загадка темной материи тесно связана с барионной асимметрией Вселенной. Однако общепринятой теории происхождения барионной асимметрии и темной материи сегодня не существует.

Где же находится темная материя?

Мы знаем, что светящаяся компонента вещества наблюдается в виде звезд, собранных в галактики разных масс, и в форме рентгеновского газа скоплений. Однако большая часть обычного вещества (до 90%) находится в виде разреженного межгалактического газа с температурой несколько электронвольт, а также в форме МАСНО (Massive Compact Halo Object) - компактных остатков эволюции звезд и объектов с малой массой. Поскольку эти структуры обычно имеют низкую светимость, за ними закрепилось название "темные барионы".

Рис. 4. Верхнее ограничение на долю массы гало Галактики в МАСНО по данным эксперимента EROS (от франц. - Experience pour la Recherche d"Objets Sombres).

Исследованием количества и распределения компактных темных объектов в гало нашей Галактики по событиям микролинзирования занималось несколько групп (МАСНО, EROS и др.). В результате совместного анализа было получено важное ограничение - не более 20% всей массы гало сосредоточено в МАСНО в диапазоне значений от массы луны до масс звезд (рис. 4). Остальную долю темной материи гало составляют частицы неизвестной природы.

Где еще спрятана небарионная темная материя?

Развитие высоких технологий в наблюдательной астрономии XX века позволило получить ясный ответ на этот вопрос: небарионная темная материя находится в гравитационно-связанных системах (гало). Частицы темной материи являются нерелятивистскими и слабовзаимодействующими - их диссипативные процессы идут не так, как у барионов. Барионы же радиационно остывают, оседают и накапливаются в центрах гало, достигая вращательного равновесия. Темное вещество остается распределенным вокруг видимого вещества галактик с характерным масштабом порядка 200 кпк. Так, в Местной Группе, к которой относятся Туманность Андромеды и Млечный Путь, более половины всей темной материи сосредоточено в этих двух больших галактиках. Частиц, обладающих требуемыми свойствами, в Стандартной модели физики элементарных частиц нет. Важный параметр, который нельзя определить из наблюдений в силу Принципа эквивалентности, - это масса частицы. В рамках возможных расширений Стандартной модели имеется несколько кандидатов в частицы темной материи. Основные из них перечислены в табл. 2 в порядке возрастания их массы покоя.

Таблица 2. Кандидаты в частицы небарионной темной материи

Главная на сегодня версия массивных частиц - гипотеза нейтралино - связана с минимальной суперсимметрией. Данная гипотеза может быть проверена на Большом адронном ускорителе в ЦЕРНе, запуск которого намечается в 2008 г. Ожидаемая масса таких частиц $\sim$ 100 ГэВ, а их плотность в нашей Галактике - одна частица в объеме чайного стакана.

Поиск частиц темной материи ведется по всему миру на многих установках. Интересно отметить, что нейтралинная гипотеза допускает независимую проверку как в подземных экспериментах по упругому рассеянию, так и по косвенным данным аннигиляции нейтралино в Галактике. До сих пор получен положительный отклик только в одном из подземных детекторов проекта DAMA (DArk MAtter), где уже на протяжении нескольких лет наблюдается сигнал неизвестного происхождения типа "лето-зима". Однако интервал масс и сечений, связанный с этим экспериментом, пока не подтверждается на других установках, что ставит под сомнение как достоверность, так и значимость результата.

Важным свойством нейтралино является возможность их непрямого наблюдения по аннигиляционному потоку в гамма-области. В процессе иерархического скучивания такие частицы могли образовывать мини-гало с характерным размером порядка размера Солнечной системы и массой порядка массы Земли, остатки которых дожили до наших дней. Сама Земля с большой вероятностью может находиться внутри подобных минигало, где плотность частиц возрастает в несколько десятков раз. Тем самым повышается вероятность как прямого, так и непрямого детектирования темного вещества в нашей Галактике. Существование столь разных методов поиска внушает оптимизм и позволяет надеяться на скорое определение физической природы темной материи.

5. На пороге новой физики

В наше время стало возможным независимое определение свойств ранней Вселенной и поздней Вселенной по наблюдательным астрономическим данным. Мы понимаем, как возникли начальные космологические возмущения плотности, из которых развилась структура Вселенной. Мы знаем значения важнейших космологических параметров, лежащих в основе Стандартной модели Вселенной, не имеющей сегодня серьезных конкурентов. Однако остаются нераскрытыми фундаментальные вопросы происхождения Большого взрыва и основных компонент материи.

Наблюдательное определение тензорной моды космологических возмущений является ключом к построению модели ранней Вселенной. Здесь мы имеем дело с четким предсказанием теории, хорошо проверенной в случае $S$-моды и обладающей возможностью экспериментальной проверки $T$-моды в ближайшие годы.

Теоретическая физика, предоставив обширный перечень возможных направлений и методов поиска частиц темной материи, исчерпала себя. Теперь дело за экспериментом. Сложившаяся на сегодня ситуация напоминает ту, которая предшествовала великим открытиям - обнаружению кварков, W- и Z-бозонов, осцилляции нейтрино, анизотропии и поляризации реликтового излучения.

Возникает один вопрос, который, правда, выходит за рамки данного обзорного доклада: почему Природа столь щедра к нам и позволяет открывать свои секреты?

Список литературы

1. Гриб А А, Мамаев С Г, Мостепаненко В М Квантовые эффекты в интенсивных внешних полях (М.: Атомиздат, 1980)
2. Зельдович Я Б, Старобинский А А ЖЭТФ 61 2161 (1971)
3. ГрищукЛПЖЭГФ67 825(1974)
4. Лукаш В Н ЖЭТФ 79 1601 (1980)
5. Lukash V N, astro-ph/9910009
6. Строков В Н Астрон. журн. 84 483 (2007)
7. Лукаш В Н УФН176 113 (2006)
8. Lukash V N, Mikheeva E V Int. J. Mod. Phys. A 15 3783 (2000)

В.Н. Лукаш, Е.В. Михеева

МОСКВА, 12 дек - РИА Новости. Количество темной материи во Вселенной уменьшилось примерно на 2-5%, что может объяснять расхождения в значении некоторых важных космологических параметров во времена Большого Взрыва и сегодня, заявляют российские космологи в статье, опубликованной в журнале Physical Review D.

"Представим, что темная материя состоит из нескольких компонент, как и обычная. И одна компонента состоит из нестабильных частиц, чье время жизни довольно большое: в эпоху образования водорода, через сотни тысяч лет после Большого взрыва, они еще есть во Вселенной, а сегодня они уже исчезли, распавшись в нейтрино или гипотетические релятивистские частицы. Тогда количество темной материи в прошлом и сегодня будет разным", — заявил Дмитрий Горбунов из Московского Физтеха, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Темная материя — гипотетическое вещество, которое проявляет себя исключительно через гравитационное взаимодействие с галактиками, внося искажения в их движение. Частицы темной материи не взаимодействуют с какими-либо видами электромагнитного излучения, а потому не могут быть зафиксированы во время непосредственных наблюдений. На долю темной материи приходится около 26% массы Вселенной, в то время как "обычная" материя составляет лишь около 4,8% от ее массы — все остальное приходится на не менее загадочную темную энергию.

Наблюдения за распределением темной материи по ближайшим и далеким от нас уголкам мироздания, проведенные при помощи наземных телескопов и зонда "Планк", недавно раскрыли странную вещь - оказалось, что скорость расширения Вселенной, и некоторые свойства "эха" Большого взрыва в далеком прошлом и сегодня заметно отличаются. К примеру, сегодня галактики разлетаются в стороны друг от друга заметно быстрее, чем это следует из результатов анализа реликтового излучения.

Горбунов и его коллеги нашли возможную причину этого.

Год назад один из авторов статьи, академик Игорь Ткачев из Института ядерной физики РАН в Москве, сформулировал теорию так называемой распадающейся темной материи (DDM), в которой, в отличие от общепринятой теории "холодной темной материи" (CDM), часть или все ее частицы являются нестабильными. Эти частицы, как предположили Ткачев и его соратники, должны распадаться достаточно редко, но в заметном количестве для того, чтобы породить отклонения между юной и современной Вселенной.

В своей новой работе Ткачев, Горбунов и их коллега Антон Чудайкин попытались вычислить, как много темной материи должно было распасться, используя данные, собранные "Планком" и другими обсерваториями, изучавшими реликтовое излучение и первые галактики Вселенной.

Как показали их расчеты, распад темной материи действительно может объяснять то, почему результаты наблюдений за этой субстанцией при помощи "Планка" не соответствуют данным наблюдений за ближайшими к нам скоплениями галактик.

Что интересно, для этого требуется распад относительно небольшого количества темной материи - от 2,5 до 5% от ее общей массы, чье количество почти не зависит от того, какими фундаментальными свойствами должна обладать Вселенная. Сейчас, как объясняют ученые, вся эта материя распалась, и остальная темная материя, стабильная по своей природе, ведет себя так, как описывает теория CDM. С другой стороны, возможно и то, что она продолжает распадаться.

"Это означает, что в сегодняшней Вселенной на 5% меньше тёмной материи, чем было в эпоху формирования первых молекул водорода и гелия после рождения Вселенной. Мы сейчас не можем сказать, как быстро распалась эта нестабильная часть, возможно, что темная материя продолжает распадаться и сейчас, хотя это уже другая значительно более сложная модель", — заключает Ткачев.

Вопрос происхождения Вселенной, ее прошлого и будущего волновал людей с незапамятных времен. На протяжении многих веков теории возникали и опровергались, предлагая картину мира, опирающуюся на известные данные. Основательным потрясением для научного мира стала теория относительности Эйнштейна. Она же внесла огромный вклад в понимание процессов, формирующих Вселенную. Однако и теория относительности не могла претендовать на звание истины в последней инстанции, не требующей каких бы то ни было дополнений. Совершенствующиеся технологии позволили астрономам сделать немыслимые ранее открытия, которые потребовали новой теоретической базы или значительного расширения уже существующих положений. Одним из таких феноменов стала темная материя. Но обо всем по порядку.

Дела давно минувших дней

Для понимания термина «темная материя» вернемся в начало прошлого века. В то время главенствовало представление о Вселенной как о стационарной структуре. Между тем общая теория относительности (ОТО) предполагала, что рано или поздно приведет к «слипанию» всех объектов космоса в единый клубок, произойдет так называемый гравитационный коллапс. Между космическими объектами не существует сил отталкивания. Взаимное притяжение компенсируется центробежными силами, создающими постоянное движение звезд, планет и прочих тел. Таким образом поддерживается равновесие системы.

Для того чтобы предотвратить теоретический коллапс Вселенной, Эйнштейн ввел - величину, приводящую систему в необходимое стационарное состояние, но при этом фактически выдуманную, не имеющую очевидных оснований.

Расширяющаяся Вселенная

Вычисления и открытия Фридмана и Хаббла показали отсутствие необходимости нарушать стройные уравнения ОТО при помощи новой постоянной. Было доказано, и сегодня этот факт практически ни у кого не вызывает сомнений, что Вселенная расширяется, у нее было когда-то начало, и о стационарности речи идти не может. Дальнейшее развитие космологии привело к появлению теории большого взрыва. Главное подтверждение новых предположений — наблюдаемое увеличение со временем расстояния между галактиками. Именно измерение скорости удаления друг от друга соседних космических систем и привело к формированию гипотезы о том, что существует темная материя и темная энергия.

Данные, не согласующиеся с теорией

Фриц Цвикки в 1931 году, а потом и Ян Оорт в 1932-м и в 1960-х занимались подсчетом массы вещества галактик в удаленном скоплении и соотношения ее со скоростью удаления их друг от друга. Из раза в раз ученые приходили к одним и тем же выводам: такого количества вещества недостаточно, чтобы создаваемая им гравитация могла удержать вместе галактики, двигающиеся со столь большими скоростями. Цвикки и Оорт предположили, что существует скрытая масса, темная материя Вселенной, не позволяющая космическим объектам разлететься в разные стороны.

Однако гипотеза получила признание научного мира только в семидесятых годах, после оглашения результатов работы Веры Рубин.

Она построила кривые вращения, наглядно демонстрирующие зависимость скорости движения вещества галактики от расстояния, которое отделяет его от центра системы. Вопреки теоретическим предположениям оказалось, что скорости звезд по мере удаления от галактического центра не уменьшаются, а возрастают. Объяснить подобное поведение светил можно было только наличием у галактики гало, которое заполняет темная материя. Астрономия, таким образом, столкнулась с совершенно неизученной частью мироздания.

Свойства и состав

Темной этот называют потому, что ее нельзя увидеть никакими существующими способами. Ее присутствие опознается по косвенному признаку: темная материя создает гравитационное поле, при этом не излучая совершенно электромагнитных волн.

Важнейшей задачей, возникшей перед учеными, стало получение ответа на вопрос о том, из чего состоит эта материя. Астрофизики пытались «наполнить» ее привычным барионным веществом (барионная материя состоит из более или менее изученных протонов, нейтронов и электронов). В темное гало галактик включали компактные слабоизлучающие звезды типа и огромные, по массе приближенные к Юпитеру планеты. Однако подобные предположения не выдерживали проверки. Барионная материя, привычная и известная, таким образом, не может играть существенной роли в скрытой массе галактик.

Сегодня поиском неизвестных составляющих занимается физика. Практические изыскания ученых основываются на теории суперсимметрии микромира, согласно которой для каждой известной частицы существует суперсимметричная пара. Вот они-то и составляют темную материю. Однако доказательств существования подобных частиц пока получить не удалось, возможно, это дело ближайшего будущего.

Темная энергия

Открытием нового типа материи не закончились сюрпризы, которые подготовила Вселенная ученым. В 1998 году астрофизикам представился еще один шанс сопоставить данные теорий с фактами. Этот год ознаменовался взрывом в далекой от нас галактике.

Астрономы измерили расстояние до нее и крайне удивились полученным данным: звезда вспыхнула гораздо дальше, чем это должно было быть согласно существующей теории. Оказалось, что со временем увеличивается: сейчас она гораздо выше, чем была 14 миллиардов лет назад, когда предположительно случился большой взрыв.

Как известно, чтобы ускорить движение тела, ему нужно передать энергию. Силу, которая вынуждает Вселенную расширяться быстрее, стали называть темной энергией. Это не менее загадочная часть космоса, чем темная материя. Известно лишь, что для нее характерно равномерное распределение по всей Вселенной, а зарегистрировать ее воздействие можно лишь на огромных космических расстояниях.

И снова космологическая постоянная

Темная энергия пошатнула теорию большого взрыва. Часть научного мира скептически относится к возможности подобной субстанции и вызванного ей ускорения расширения. Некоторые астрофизики пытаются возродить забытую космологическую постоянную Эйнштейна, которая вновь из разряда большой научной ошибки может перейти в число рабочих гипотез. Ее присутствие в уравнениях создает антигравитацию, приводящую к ускорению расширения. Однако некоторые следствия наличия космологической постоянной не согласуются с данными наблюдений.

Сегодня темная материя и темная энергия, составляющие большую часть вещества во Вселенной, — загадки для ученых. Однозначного ответа на вопрос об их природе нет. Более того, возможно, это не последняя тайна, что хранит от нас космос. Темная материя и энергия могут стать преддверием новых открытий, способных перевернуть наше представление об устройстве Вселенной.

Первым ученым, кто теоретически обосновал и рассчитал возможность существования скрытой неизвестной материи, был швейцарский астроном болгарского происхождения Фриц Цвикки . Используя доплеровские методы, ученый вычислил скорости восьми галактик, расположенных в созвездии Вероники. В научной литературе иногда встречается другое романтичное название – Волосы Вероники .

Тёмная материя и тёмная энергия

История открытия неизвестной массы

Логика расчетов Цвикки заключалась в следующем. Поле тяготения должно удерживать галактики внутри их скопления. Исходя из этого положения, вычисляется необходимая масса. Галактики излучают свет, следовательно, можно рассчитать еще одно значение галактической массы. Эти две величины должны были совпасть, но этого не случилось. Значения очень сильно расходились. Требовалось гораздо большее значение массы для того, чтобы гравитационное поле не давало возможности галактикам разлететься.

Именно этой недостающей ее части Цвикки дал название «темная материя»

Как показали расчеты ученого, обыкновенного вещества в созвездии намного меньше, чем темной материи. Цвикки опубликовал свои результаты в не очень известном журнале Helvetica Phisica Acta .

Однако последующие 40 лет астрофизики старались не замечать такого тревожного и выдающегося результата.

В 1970 году Вера Рубин и У.К.Форд впервые изучают вращательные движения загадочной туманности Андромеды . Немного позже было изучено движение более 60 галактик. Исследования показали, что скорость вращения галактик намного больше той скорости, которую обеспечивает их видимая наблюдаемая масса. Полученный комплекс неоспоримых наблюденных фактов есть доказательство существования скрытой неизвестной материи.

Темная материя. Анатолий Владимирович

Общие представления о неведомых частицах неизвестной материи

В своих исследованиях физики иногда используют труднодоступные для обычных людей методы идентификации непознанных объектов Вселенной. Они оконтуривают неизвестные явления твердо установленными и экспериментально проверенными моделями и начинают потихоньку «прижимать» строптивое явление, терпеливо ожидая от него необходимой информации.

Однако темная материя проявляет истинное гравитационное мужество к научному любопытству физиков.

Скрытая материя скучивается точно так же, как и обыкновенное вещество, образуя галактики и их скопления. В этом, пожалуй, заключается единственное сходство хорошо нам известного видимого вещества и неизвестной массы, доля которой составляет 25% в энергетическом «банке» Вселенной.

Этот неизвестный акционер нашей Вселенной обладает простыми свойствами. Достаточно холодное скрытое вещество охотно взаимодействует с его видимым соседом (в частности, с барионами) исключительно на гравитационном языке. Следует отметить, что космическая плотность барионов в несколько раз меньше плотности скрытой материи. Такое превосходство в плотности позволяет ей фактически «руководить» гравитационным потенциалом Вселенной.

Ученые предполагают, что вещественный состав материи – это новые неизвестные частицы. Но обнаружить их пока не удается. Известно лишь то, что они не распадаются на еще более мелкие элементы Природы. Иначе во временном жизненном интервале Вселенной они бы уже прошли процесс распада. Следовательно, этот факт красноречиво говорит в пользу того, что имеет место быть новый закон сохранения, запрещающий распад частиц. Однако он еще не открыт.

Далее, вещество темной материи «не любит» взаимодействовать с известными частицами. В силу этого обстоятельства состав скрытой массы невозможно определить земными экспериментами. Природа частиц остается неизвестной.

Frequency Keepers - Неоднородная Вселенная

Какие есть пути поиска частиц темного вещества?

Перечислим несколько путей.

1. Есть предположение , что протоны легче неизвестных частиц на 2-3 порядка. В таком случае они могут рождаться в столкновениях с видимыми частицами, если их разогнать до очень высоких энергий в коллайдере.
2. Сложилось впечатление , что неведомые частицы находятся где-то там, в далеких галактиках. Нет не только там, но и рядом с нами. Предполагается, что в одном кубическом метре их количество может достигать 1000 штук. Однако они предпочитают избегать столкновений с атомными ядрами известного вещества. Хотя такие случаи бывают, и ученые надеются их зарегистрировать.
3. Неизвестные частицы скрытой массы аннигилируют между собой. Поскольку обычное вещество для них является абсолютно прозрачным, они могут проваливаться в и . Одним из продуктов процесса аннигиляции является нейтрино, которое обладает способностью беспрепятственно проникать сквозь всю толщу Солнца и Земли. Регистрация таких нейтрино, возможно, даст о неизвестных частицах.

Какова природа скрытой массы?

Ученые наметили три направления в исследовании природы темного вещества.

1. Барионная темная материя.

При таком предположении все частицы хорошо известны. Но их излучение проявляет себя так, что его невозможно обнаружить.

• обыкновенное вещество, сильно рассеянное в пространстве между галактиками;
• массивные астрофизические галообъекты (MACHO).

Данные объекты, окружая галактики, обладают сравнительно маленькими размерами. Имеют очень слабое излучение. Эти свойства не дают возможности их обнаружить.

В состав тел могут входить следующие объекты:

• коричневые карлики;
• белые карлики;
• черные дыры;
• нейтронные звезды.

Поиск вышеназванных объектов осуществляется с помощью гравитационных линз.

1. Небарионная темная материя.

Состав вещества неизвестен. Возможны два варианта:

• холодная масса, которая могла бы включать фотино, аксионы и кварковые комья;
• горячая масса (нейтрино).

1. Новый взгляд на тяготение.

Правдивость теории

Не исключено, что межгалактические расстояния заставят посмотреть на выдержанную временем теорию тяготения под новым углом галактического зрения.

Открытия свойств тайной материи еще впереди. Дано ли это знать человеку и что он будет делать с таким богатством – только будущее ответить на эти вопросы.

На сегодняшний день загадка о том, откуда появилось темное вещество так и не разгадана. Есть теории, которые предполагают, что оно состоит из межзвездного газа низкой температуры. При этом вещество не может давать какое-либо излучение. Однако существуют теории, направленные против этой идеи. Они говорят о том, что газ способен разогреваться, что приводит к тому, что они становятся обычными «барионными» веществами. В пользу этой теории свидетельствует то, что масса газа в холодном состоянии не может устранить дефицит, который возникает при этом.

В теориях о темном веществе столько вопросов, что стоит разобраться в этом чуть подробнее.

Чем является темное вещество?

Вопрос о том, что же такое темное вещество, появился примерно 80 лет назад. Еще в начале 20 века. В то время астроному из Швейцарии Ф. Цвикки пришла в голову идея о том, что масса всех галактик в реальности больше, чем масса всех тех объектов, которые можно увидеть собственными газами в телескоп. Все многочисленные подсказки намекали на то, что в космосе существует нечто неведомое, что обладает внушительной массой. Этой необъяснимой субстанции было решено дать название «темное вещество».

Это невидимое вещество занимает не менее четверти от всей Вселенной. Особенность этого вещества в том, что его частицы плохо вступают во взаимодействие между собой и с обычным другим веществом. Это взаимодействие настолько слабое, что ученые не могут даже зафиксировать это. По факту есть только признаки влияния от частиц.

Изучение этого вопроса ведется самыми большими умами по всему миру, поэтому даже самые большие скептики в мире считают, что получится уловить частицы вещества. Самая желаемая цель – сделать это в условиях лаборатории. В шахтах на большой глубине ведутся работы, такие условия для экспериментов необходимы, чтобы исключить помехи, которые оказывают частицы лучей из космоса.

Есть вероятность, что много новой информации удастся получить благодаря современным ускорителям, в частности, с помощью Большого адронного коллайдера.

Частицы темного вещества имеют одну странную особенность - взаимоуничтожение. В результате таких процессов появляется гамма-излучение, античастицы и частицы (такие как электрон и позитрон). Поэтому астрофизики делают попытки найти следы гамма-излучения или античастиц. Для этого используются различные наземные и космические установки.

Доказательства существования темного вещества

Самыми первыми сомнениями в правильности расчетов массы Вселенной, как уже говорилось, поделился астроном из Швейцарии Ф. Цвикки. Для начала он решил измерить скорость галактик из скопления Волос Вероники двигавшихся вокруг центра. И результат его работ несколько озадачил его, потому что скорость движения этих галактик оказалась выше, чем он предполагал. Кроме того, он предварительно рассчитал это значение. Но результаты не совпали.

Вывод был очевиден: реальная масса скопления была гораздо больше, чем видимая. Это могло объясниться тем, что большая часть вещества, которое есть в этой части Вселенной, не может быть видима, а также за ней невозможно понаблюдать. Это вещество проявляет свои свойство только в виде массы.

Ряд гравитационных экспериментов подтвердил присутствие невидимой массы в галактических скоплениях. В теории относительности есть некоторое толкование этого явления. Если ей следовать, то каждая масса способна к деформированию пространства, кроме того, словно линза она искривляет прямой поток световых лучей. Галактическое скопление вызывает искажение, его влияние настолько сильно, что становится заметным. Сильнее всего искажается вид галактики, которая располагается непосредственно за скоплением. По этому искажению и рассчитывается то, как распределилось вещество в этом скоплении. Так и измеряют реальную массу. Она неизменно оказывается больше в несколько раз, чем масса видимой материи.

Спустя четыре десятилетия после работ первопроходца в этой сфере Ф. Цвикки этим вопросом занялась астроном из Америки В. Рубин. Она изучала скорость, с которой вращается вокруг центра галактики вещество, которое располагается по краям галактик. Если следовать законам Кеплера, касающимся законов тяготения, то существует определенная зависимость между скоростью вращения галактик и расстоянием до центра.

Но в реальности измерения показывали, что скорость вращения не менялась с увеличением расстояния до центра. Такие данные можно было объяснить только одним путем – вещество галактики имеет одинаковую плотность как в центре, так и по краям. Но видимое вещество имело гораздо большую плотность в центре и характеризовалось разреженностью по краям, а недостаток плотности мог быть объяснен только наличием какого-то вещества, которое не видно глазу.

Чтобы дать объяснение явлению, нужно, чтобы этого самого невидимого вещества в галактиках было почти в 10 раз больше, нежели того вещества, которое мы можем увидеть. Вот это неведомое вещество и получило название «темное вещество», или «темная материя». На сегодняшний день для астрофизиков это явление так и остается самой интересной загадкой.

Есть еще один довод в пользу доказательств существования темного вещества. Он следует из расчетов, которые описывают процесс того, как формировались галактики. Считается, что началось это примерно через 300.000 лет после того, как произошел Большой взрыв . Результаты расчетов говорят, что притяжение между осколками материи, которая появилась при взрыве, не могло бы компенсировать кинетическую энергию от разлета. То есть вещество не могло сконцентрироваться в галактиках, однако мы можем видеть это сегодня.

Этот необъяснимый факт называют парадоксом галактики, его приводили как довод, разрушающий теорию Большого взрыва. Но можно посмотреть на это с другой стороны. Ведь частицы самого обычного вещества могли быть смешаны с частицами темного вещества. Тогда расчеты становятся верными, а то, как сформировались галактики, в которых скопилось много темного вещества, а к ним уже присоединились частицы обычного вещества за счет гравитации. Ведь обычное вещество составляет малую долю от всей массы Вселенной.

Видимое вещество имеет плотность относительно низкую по сравнению с темным веществом, потому что оно плотнее в 20 раз. Поэтому те 95% массы Вселенной, которых не достает по расчетам ученых – это и есть темное вещество.

Однако это приводило к выводу, что весь видимый мир, который был изучен вдоль и поперек, такой привычный и понятный, лишь небольшое приложение к тому, из чего реально складывается .

Все галактики, планеты и звезды – это просто маленький кусочек того, о чем мы не имеем понятия. Это то, что выставлено напоказ, а реальное от нас скрыто.