Пятница, 28 января 2022 г12:47 МСК
USD78.950
EUR88.47-0.68

Тайна космоса. Ученые предложили решение загадки темной материи (видео)

1363

Тайна космоса. Ученые предложили решение загадки темной материи

Владислав Стрекопытов. Расчеты показывают, что космос заполнен преимущественно темной материей. Прямым наблюдениям она недоступна, поэтому о ее происхождении, составе и свойствах можно только догадываться. Согласно одной из последних гипотез, она образовалась из обычных частиц в ранней Вселенной.

Открытие скрытой массы Вселенной

В 1933-м американский астроном Фриц Цвикки, наблюдая за галактиками в скоплении Кома в 300 миллионах световых лет от Млечного Пути по направлению созвездия Волосы Вероники, обнаружил, что динамическая масса этого объекта, определенная исходя из скорости движения галактик, примерно в 50 раз больше результата, полученного на основе оценки светимости звезд. Спустя три года с такой же нехваткой массы в галактическом кластере Вирго столкнулся другой американец – Синклер Смит.

Столь серьезное расхождение невозможно объяснить погрешностью расчетов, поэтому ученые пришли к выводу, что некоторые галактики содержат несветящееся вещество. Цвикки назвал его темной материей.

Несколько десятилетий об этом почти не вспоминали – пока в 1970-м американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд не опубликовали сенсационные результаты измерений скорости звезд и газовых облаков крупной спиральной галактики М31 – туманности Андромеды. Согласно кеплеровской механике, с увеличением расстояния от галактического центра скорость должна уменьшаться. А в галактике М31, и в центре, и на периферии, звезды двигались примерно одинаково, как будто связанные каким-то каркасом, грандиозным облаком с массой значительно большей, чем звезды.

То же самое Рубин, Форд и другие исследователи увидели в десятках других спиральных галактик. Ожидаемые и реальные скорости вращения вещества различались не на проценты или даже десятки процентов, а в разы. По расчетам периферийные звезды и газ в крупной спиральной галактике должны двигаться со скоростью 30-40 километров в секунду, на самом деле – 150-200. Стало ясно, что необходимо учитывать какие-то ранее неизвестные факторы.

И тут термин, предложенный Цвикки, пришелся очень кстати. Ученые предположили, что в создании галактических гравитационных полей участвуют частицы темной материи неизвестной природы, недоступные для прямого наблюдения.

В наше время, когда современные суперкомпьютеры способны на сложнейшие расчеты, эта гипотеза по-прежнему в центре внимания. Так, в минувшем году только журналы семейства Physical Review опубликовали 345 статей о темной материи.

© Washington State University, Pixabay LicenseКрасная линия обозначает расчетную скорость вращения звезд галактики Андромеда. Белая линия – реальную скорость, измеренную по результатам наблюдений. Законы классической механики предсказывают, что при удалении от центра галактики звезды должны вращаться медленнее, в то время как реальные наблюдения демонстрируют, что скорость звезд практически неизменна вплоть до самых удаленных областей. Это указывает на присутствие большого количества неучтенной массы
Тайна космоса. Ученые предложили решение загадки темной материи
Красная линия обозначает расчетную скорость вращения звезд галактики Андромеда. Белая линия – реальную скорость, измеренную по результатам наблюдений. Законы классической механики предсказывают, что при удалении от центра галактики звезды должны вращаться медленнее, в то время как реальные наблюдения демонстрируют, что скорость звезд практически неизменна вплоть до самых удаленных областей. Это указывает на присутствие большого количества неучтенной массы

Вимпы и аксионы

С 1970-х для сотен галактик построили кривые вращения – графики зависимости орбитальных скоростей звезд от расстояния до галактических центров. И везде они не совпадали с расчетами на основе распределения массы видимого вещества.

Конечно, астрономы первым делом искали какие-то невидимые объекты из обычного вещества, например коричневые карлики – очень тусклые звезды размером с Юпитер, но в десятки раз массивнее. Действительно, в конце 1990-х – начале 2000-х с помощью космических телескопов открыли множество таких объектов. Более того, они оказались самой весомой звездной составляющей Млечного Пути. Обнаружили также межгалактические холодные облака из водорода и гелия. Прозрачные для света звезд, они дают о себе знать только характерной линией водорода в спектре, а масса их в скоплениях галактик в десять раз больше, чем звездная. Но и этого, как выяснилось, недостаточно, чтобы объяснить отклонения кривых вращения.

По современным моделям Вселенная примерно на 70 процентов состоит из темной энергии, на 25 – из темной материи, и лишь пять процентов приходится на обычную, барионную материю, из которой состоят звезды, планеты, газовые и пылевые облака. То есть темной материи в пять раз больше, чем обычной. Более того, ученые определили, какими свойствами должны обладать частицы темной материи.

Физики считают, что эти частицы движутся медленно, то есть темная материя – холодная. Поэтому нейтрино на эту роль не подходят. Также они очень слабо взаимодействуют друг с другом, с частицами обычной материи и фотонами и в то же время создают поле тяготения, то есть они достаточно массивные. Их назвали слабовзаимодействующими массивными частицами, или вимпами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Вычисления показали, что они в сотни и тысячи раз тяжелее протона. Дело за малым – найти их.

С 1990-х вимпы ищут на десятке установок по всему миру. Единственный сигнал, который может стать подтверждением существования частиц темной материи, зафиксировали в июне 2020-го на самом чувствительном в мире детекторе XENON в лаборатории Гран Сассо в Италии.

Сама лаборатория находится глубоко под землей, чтобы обеспечить необходимое экранирование и уменьшить фоновый шум. Главный элемент установки – резервуар с жидким радиоочищенным ксеноном весом две тонны. Если входящая частица темной материи ударит по атомам ксенона, то высвободятся фотоны и электроны, и фотоумножители в верхней и нижней частях резервуара это зафиксируют. Шестнадцатого июня 2020-го ученые заметили избыточные сигналы, которые не укладывались в Стандартную модель или фоновый шум. Однако на вимпов это было не очень похоже.

Другой кандидат на темную материю – легкие слабовзаимодействующие частицы, или виспы (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Самая известная – аксион. Ее ввели теоретики в рамках квантовой хромодинамики, чтобы объяснить CP-симметрию. По мнению ученых, эту стабильную незаряженную частицу можно обнаружить в сильных магнитных полях, где она должна индуцировать фотоны. Аксионы тоже ищут с 1990-х, в том числе в рамках экспериментов в ЦЕРНе, и тоже пока безрезультатно.

Какая материя первична

Темная материя взаимодействует с обычным веществом и излучением только посредством гравитации. Из теоретических вычислений и практических наблюдений следует, что галактика становится стабильной, если она погружена в сферическое облако, гало массивной материи много больших размеров, чем видимые. Такое облако удерживает в равновесии звезды и галактический газ, не позволяя галактике рассыпаться.

Ученые предполагают, что частицы, обеспечивающие недостающую массу Вселенной, появились вскоре после Большого взрыва, и распределение их было неравномерным. Области с повышенной плотностью темной материи притягивали к себе обычное вещество, которое сваливалось в гравитационные ямы. Так образовались первые звезды, а затем и галактики. Без темной материи в качестве "катализатора" концентрации вещества трудно объяснить быстрое нарастание неоднородности в ранней Вселенной.

Но как возникли сами частицы темной материи, неясно. Узнать это – одна из самых амбициозных задач современной физики.

Считается, что темная материя сформировалась еще на стадии "термальной ванны" – плазмы из электронов, барионов и фотонов. В результате их взаимодействия родились другие частицы. Затем, по мере расширения Вселенной и охлаждения плазмы, эти реакции прекратились и началась рекомбинация – образование атомов. То есть темной материи сразу появилось очень много, и с тех пор ее количество неизменно.

Недавно ученые из Норвегии, Германии, Бельгии, США и Израиля предложили другой вариант. По их мнению, частицы темной и обычной материи в "термальной ванне" возникли практически одновременно, но затем темная материя начала увеличиваться в геометрической прогрессии из-за механизма экспоненциального роста, характерного для многих физических процессов. По мере расширения Вселенной этот процесс усиливался и прекратился, только когда расширение замедлилось.

При таком сценарии понятно, почему темная материя обычно сосредоточена не в центральных областях галактик и их скоплений, а в окружающих их галактических гало.

© NASA / CXC/M. WeissПервое фото, доказывающее существование темной материи – составное изображение галактического кластера Пули, полученное наземными Магеллановыми телескопами и космическими телескопами "Хаббл" и "Чандра". Кластер возник при столкновении двух скоплений галактик. Розовым цветом показано рентгеновское излучение барионного газа, состоящего из протонов и нейтронов, которое было зарегистрировано телескопом "Чандра", а синим – распределение невидимой массы, определенной по гравитационному линзированию. Видно, что гравитационная масса не совпадает с барионной из-за того, что при столкновении газ затормозился, а темная материя пролетела дальше.
Первое фото, доказывающее существование темной материи – составное изображение галактического кластера Пули, полученное наземными Магеллановыми телескопами и космическими телескопами "Хаббл" и "Чандра". Кластер возник при столкновении двух скоплений галактик. Розовым цветом показано рентгеновское излучение барионного газа, состоящего из протонов и нейтронов, которое было зарегистрировано телескопом "Чандра", а синим – распределение невидимой массы, определенной по гравитационному линзированию. Видно, что гравитационная масса не совпадает с барионной из-за того, что при столкновении газ затормозился, а темная материя пролетела дальше.

Насколько верна предложенная модель, покажет время и новые эксперименты на больших наземных ускорителях и детекторах, а также наблюдения на гигантских телескопах будущего.

Пока же участники очередного исследования сообщили об отрицательном результате. Южнокорейские ученые пытались зарегистрировать в детекторе COSINE-100 сезонные колебания регистрации WIMP, вызванные изменением скорости движения Земли относительно гало темной материи при ее вращении вокруг Солнца. На возможность фиксации таких сезонных расхождений еще в 1998-м указывала итальянская коллаборация DAMA. Но анализ данных эксперимента COSINE-100 не выявил темной материи.

Источник

Новость дня

1367
Мне в последнее время часто попадаются материалы с осмеиванием российской программы компьютерных процессоров. Сидят себе такие «эксперты высшего уровня» и поливают грязью отечественные «Байкалы» и «Эльбрусы» Мол, «советские микрокалькуляторы –...