Существует ли на самом деле темная материя?

Земля слухами полнится. Так, время от времени на просторах всемирной паутины можно встретить статьи о том, что «таинственную темную материю наконец кто-то нашел» или напротив, о том, что «темной материи на самом деле не существует». Так где же истина? Что такого происходит в области космологии, что заставляет ученых буквально через день менять свое мнение? Чтобы разобраться в происходящем, придется попытаться понять что же представляет собой темная материя – гипотетическая форма материи, составляющая четверть всей массы и энергии Вселенной. В современной космологии считается, что темная материя недоступна прямому наблюдению так как не взаимодействует с электромагнитным излучением. Астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон говорит о темной материи как о субстанции, которую никто никогда не видел и которую невозможно поймать. Пока все, что могут астрономы – это наблюдать проявление темной материи только через гравитационные эффекты, которые она оказывает на различные галактики. Предполагается, что темная материя оказывает влияние на линейную скорость вращения галактик, в результате чего галактики вращаются медленнее или быстрее. Рассказываем последние новости о том, что ученым удалось узнать об этой таинственной материи.

Аргументы «за»

Итак, согласно ведущей космологической теории, примерно 80% массы Вселенной состоит из материала, который ученые не могут непосредственно наблюдать. Эта гипотетическая материя, сегодня известная всему миру как таинственная темная материя, не излучает ни света, ни энергии. Так почему же ученые считают, что она доминирует во Вселенной?

Еще в конце 1920-х годов астрономы выдвинули гипотезу о том, что Вселенная содержит больше материи, чем видно невооруженным глазом. Несмотря на то, что доказательств существования темной материи в те годы обнаружено не было, в научном сообществе эта гипотеза прижилась. К счастью, с развитием науки и технологий перед учеными открылась масса возможностей. По мнению Питера Ван Доккума, исследователя из Йельского университета, движение звезд говорит нам, сколько материи существует во Вселенной. «Звездам все равно, в какой форме находится материя, они просто показывают нам, что она есть», – утверждает он.

Между тем, темная материя может казаться загадочной из-за нашего человеческого восприятия. Зрение, например, основано на нашей чувствительности к свету: электромагнитным волнам, которые лежат в определенном диапазоне частот. Мы можем видеть материю, с которой знакомы, потому что атомы, составляющие ее, излучают или поглощают свет. Электрические заряды, переносимые электронами и протонами в атомах – вот причина, по которой мы видим окружающий мир.

Таинственная темная материя, как считается, составляет большую часть Вселенной.

Однако материя не обязательно состоит из атомов. Большая ее часть может быть сделана из чего-то совершенно отдельного. Материя – это любой материал, который взаимодействует с гравитацией, как это делает нормальная материя – например, сгущаясь в галактики и скопления галактик. Следовательно, нет никакой причины, по которой
материя всегда должна состоять из заряженных частиц. Однако материя, не способная к электромагнитному взаимодействию будет невидима для наших глаз. Вот почему никто никогда не видел темную материю своими глазами или даже с помощью чувствительных оптических приборов.

И все же ученые считают, что она существует – из-за гравитационного воздействия, которое она оказывает на космические объекты. К ним относятся воздействие темной материи на звезды в нашей галактике (которые вращаются со скоростью, слишком большой для того, чтобы обуздать гравитационную силу обычной материи) и движение галактик в скоплениях галактик (опять же, слишком быстрое, чтобы быть объясненным только материей, которую мы видим); ее отпечаток на реликтовом излучении, оставшемся со времен Большого взрыва; изгиб света, известный как гравитационное линзирование; и наблюдение, что видимая и невидимая материя разделяются в объединенных скоплениях галактик.

Аргументы «против»

И все же, результаты одного из последних исследований предполагают, что темной материи может и не существовать. В работе, опубликованной в ноябре 2020 года в журнале The Astrophysical Journal, исследователи сообщают о крошечных расхождениях в орбитальных скоростях далеких звезд, которые, по их мнению, обнаруживают слабый гравитационный эффект. Этот эффект, по мнению ученых, может положить конец преобладающим представлениям о темной материи.

Авторы исследования предполагают, что за неполным научным пониманием гравитации, по-видимому, скрывается гравитационная сила галактик и скоплений галактик, а не огромные облака темной материи. Это также может означать, что чистая математика, а не невидимая материя может объяснить, почему галактики ведут себя так, как ведут. По крайне мере такое мнению в интервью NBC News высказала соавтор исследования Стейси Макго, возглавляющая кафедру астрономии в Университете Кейс Вестерн в Кливленде.

В 1970-х годах астрономы узнали, что звезды, расположенные ближе к галаткическому центру, вращаются быстрее всех остальных.

На самом деле астрономы давно предполагали, что звезды вращаются вокруг центров галактик со скоростями, предсказанными теорией гравитации, сформулированной английским физиком и математиком Исааком Ньютоном более 300 лет назад. Ньютон основывал свою теорию на наблюдениях за орбитами планет и пришел к выводу о том, что объекты притягиваются друг к другу с силой, изменяющейся в зависимости от их массы. Уточнения Альберта Эйнштейна, сделанные великим физиком в двадцатом веке, также остаются удивительно точными. А в 1970-х годах американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд обнаружили аномалии в орбитах звезд в галактиках, предположив, что причина кроется в невидимой "темной материи" внутри и вокруг галактик.

Как полагают исследователи, гравитация вызывает лишь небольшое ускорение, не предсказанное Ньютоном и Эйнштейном, на таких низких уровнях, что его можно увидеть только в объектах размером с галактику. Что означало бы, что существование темной материи не требуется. А вот о том, сколько материи во Вселенной на самом деле, читайте в нашем материале.

Как видите, новое исследование поднимает «очень интересный вопрос», а именно – можно ли объяснить темную материю другими законами гравитации. Если бы это оказалось правдой, то стало бы важнейшей вехой для космологии и физики элементарных частиц. И все же, большинство ученых скептически относятся к предположению об отсутствии темной материи, больше склоняясь к тому, что эта невидимая субстанция все же существует.