Существует ли темная материя? И почему мнения ученых разделились?

Человечество можно назвать амбициозным видом. Мы живем на маленькой планете, вращающейся вокруг обыкновенной звезды и все же стремимся разгадать все тайны Вселенной. Возьмем, к примеру, темную материю. Считается, что она составляет большую часть материи в галактиках, однако наблюдать ее невозможно – эта таинственная субстанция не взаимодействует с электромагнитным излучением. Мы знаем о ее предполагаемом существовании благодаря гравитационному эффекту, который она оказывает на наблюдаемые нами объекты. Сегодня и темная материя и темная энергия являются основными столпами ведущей космологической модели. Недавно в журнале Astronomy and Astrophysics вышло исследование, в котором перечислены доказательства существования темной материи в самых первых галактиках во Вселенной. Но если ученые ошибаются и никакой темной материи/энергии на самом деле не существует, наши представления об устройстве мироздания придется пересмотреть. А это, согласитесь, серьезно.

Поиски невидимой материи

В 1970-х астрономы Вера Рубин и Кент Форд представили новую теорию, способную объяснить наблюдаемое поведение звезд, планет и галактик. Они предположили, что некая невидимая субстанция оказывает сильное гравитационное воздействие на видимые небесные тела. По мнению Рубин и Форда эта «темная материя» удерживает космические объекты вместе, как будто склеивая их.

Исследователи также пытались понять почему небесные тела, расположенные за пределами центра галактики, вращаются с той же скоростью что и объекты рядом с ним. Такое положение вещей противоречит закону Ньютона, согласно которому звезды и газ должны замедляться по мере удаления от галактического центра, однако наблюдения показывают, что это не так, а объяснить происходящее может наличие таинственной материи.

Возможно темная материя не существует

Теория Форда и Рубин, однако, не получила всеобщего признания, а многие исследователи по-прежнему уверены, что темной материи не существует. С ними готовы поспорить ученые из NASA – как показали результаты нового исследования, существует ряд факторов, подтверждающих выводы 1970-х годов.

Темная материя внутри галактик

Наличие невидимой субстанции, «склеивающей» звезды и планеты, меняет наше понимание Вселенной. Дело в том, что наблюдаемая материя в галактиках составляет всего 20% – исследователи называют эту материю барионной (это означает, что она состоит из таких субатомных частиц как протоны, нейтроны и электроны). Остальные 80% остаются невидимыми и непонятными.

Авторы работы, опубликованной в научном журнале Astronomy and Astrophysics, приводят новые доказательства в пользу существования темной материи. Объектом исследования стали не менее 260 молодых спиральных галактик, в которых формируются новые звезды.

Перед вами спиральная галактика NGC 986

Напомним, что расстояние между нашей планетой и выбранными объектами составляет примерно семь миллиардов световых лет. Это означает, что они сформировались когда Вселенная была в два раза моложе чем сегодня (возраст Вселенной составляет примерно 13,8 миллиардов лет). По форме эти галактики напоминают Млечный Путь с его спиральными рукавами из звезд и газовых облаков.

Астрономам удалось подтвердить, что эти молодые галактики окружены ореолом темной материи, исходящим из галактического центра. Эти гало, однако, намного компактнее, чем у ближайших к нам галактик, а значит распределение темной материи внутри галактик медленно расширяется с течением времени.

Мы полагаем, что это явление иллюстрирует прямое взаимодействие между частицами темной материи и обычными барионными частицами: плотность ореолов меняется и выходит за рамки известных гравитационных взаимодействий, – пишут исследователи.

Темную материю нельзя увидеть, но это не значит, что ее не существует

Астрономы также указывают, что темная материя отвечает не только за крупномасштабную структуру Вселенной (подробности здесь), но и за скопления галактик, удерживающихся вместе. А вы знали, что темная материя может скрываться в дополнительном измерении? Все подробности можно узнать здесь.

Альтернатива темной материи

Еще одна группа исследователей предположила, что ситуация вокруг темной материи изменилась – ответ следует искать в самой гравитации. Если внимательно посмотреть на полную галактик, звезд, пыли, газа и черных дыр Вселенную, можно обнаружить что-то уже известное. В конце концов, если дополнительные гравитационные эффекты существуют, за них может отвечать нечто невидимое, например, принципиально новый тип материи или частиц.

Так, если бы нейтрино были достаточно массивными, то вполне могли бы объяснить происходящее. Еще одним вариантом может быть рождение Вселенной со слишком большим количеством материи, часть которой коллапсировала, образовав черные дыры. Подобные варианты могут положить конец бесконечным несоответствиям между реальным поведением небесных объектов и нашими физическими теориями.

Темная материя – гипотетическая форма материи, составляющая четверть всей массы и энергии Вселенной.

Увы, но эти предположения вряд ли верны, поскольку общее количество барионной материи во Вселенной уже известно. Некоторые исследователи также предлагают пересмотреть теорию гравитации, чтобы полностью избавиться от темной матери. Но если мы хотим разгадать тайны Вселенной, от темной материи (и энергии) отказываться не стоит, по крайней мере пока.

Отметим, что ученые часто обнаруживают что-то новое, способное поставить под сомнение господствующие теории. Например, результаты ранее проведенных исследований показали, что молодые галактики со звездообразованием, по-видимому сталкиваются с дефицитом темной материи (по сравнению с более поздними галактиками). По этой причине некоторые физики полагают, что темная материя играет гораздо меньшую роль в ранних звездных системах, нежели в современных галактиках. Однако на сегодняшний день эти предположения не состоятельны.

Новый детектор темной материи

Чтобы узнать существует ли темная материя, ученым предстоит долго наблюдать за галактиками. К счастью, новые астрономические инструменты, в числе которых космический телескоп Джеймс Уэбб, способны «видеть» далекое прошлое нашей Вселенной, включая первые звезды и галактики, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва.

В рамках проекта Lux-Zeplin учёные будут искать признаки существования материи внутри титанового резервуара, наполненного сжиженным ксеноном.

Исследователи возлагают большие надежды на самый чувствительный детектор темной материи LUX-ZEPLIN, который расположен в 1,5 км под землей и помещен в большой резервуар с водой (это сделано для защиты LZ от столкновений с другими частицами). Как следует из названия, детектор является преемником двух предыдущих проектов LUX и ZEPLIN, однако его последняя версия в 50 раз чувствительнее к потенциальным сигналам темной материи.

Среди кандидатов на роль темной материи исследователи выделяют слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs), рожденные в ранней Вселенной. Если они действительно существуют, то взаимодействуют с обычной материей создавая уже знакомые астрономические аномалии. Новый детектор окружен датчиками, отслеживающими любые вторжения искомых частиц, а в качестве мишени используется резервуар со сверхчистым жидким ксеноном.