Темная материя темная не потому, что черного цвета, а потому что представляет собой в прямом смысле слова «темную лошадку». Никто не знает, что это такое, но многие активно стараются понять. А главное, они стараются понять, где ее взять и как ей пользоваться.
Физикам темная материя нужна для того, чтобы объяснить расхождение в ускорении расширения Вселенной и несоответствии видимой массы материи. Темная материя берет на себя более 95 % невидимой материи от всего ее количества во Вселенной.
Проблема в том, что темная материя слабо взаимодействует с реальным миром, только на уровне гравитации, поэтому поймать, зафиксировать или создать ее не представляется возможным на данный момент. И наши средства мониторинга и поиска чересчур слабы, чтобы уловить частицы темной материи, хотя работы в этой сфере определенно ведутся.
За последние 30 лет физики использовали все имеющиеся в их распоряжении средства – от мощных телескопов до гигантских подземных экспериментов и коллайдеров частиц, чтобы каким-то образом наблюдать таинственную темную материю, которая, как считается, составляет 85% всей материи во Вселенной и не поддается прямому наблюдению, так как не вступает в электромагнитное взаимодействие. Исследователи судят о ее существовании исходя из гравитационного воздействия, которое темная материя оказывает на движение звезд или галактик. По мнению группы исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде, дополнительное измерение в пространстве-времени может скрывать в себе. Наша наблюдаемая вселенная имеет три измерения пространства и, как полагают авторы нового исследования, может существовать четвертое измерение, о котором знают только темные силы. Физики полагают, что некоторые невидимые частицы темной материи взаимодействуют с другими невидимыми частицами таким образом, что эти вторые частицы ведут себя не так, как другие, проходя через дополнительное измерение.
В течение десятилетий астрономы подозревали, что во Вселенной больше материи, чем можно увидеть. Темная материя, как и темная энергия, остается загадочной, но ее существование выводится из того, что галактики ведут себя непредсказуемым образом. Например, тот факт, что галактики остаются сгруппированными вместе и что галактики внутри скоплений движутся быстрее, чем ожидалось. Как отмечают авторы нового исследования, видимые галактики формируются в самых плотных областях темной материи: когда мы смотрим в ночное небо, то видим свет далеких галактик, но не окружающую их темную материю, как если бы смотрели на огни ночного города. Вычисляя, как гравитация искажает свет – этот метод называется гравитационным линзированием – астрономы получают полную картину, как видимой, так и невидимой материи Вселенной. Результаты нового исследования показали, что материя распределена во Вселенной таким образом, который согласуется с предсказаниями стандартной космологической модели – лучшей современной модели Вселенной. О том, как ученым удалось составить самую подробную карту распределения таинственной темной материи во Вселенной рассказываем в этой статье.
Серебристая река на небесах, как называли нашу галактику жители Восточной Азии, буквально кишит звездами и звездной пылью. В представлении древних греков видимый на Земле усеянный звездами путь, считался грудным молоком богини Геры, разбрызганным по небу младенцем Геркулесом. Именно на основе этой легенды ярко светящаяся пылеобразная дуга, протянутая по всему ночному небу получила свое современное научное название: Млечный Путь. Сегодня ученые оценивают количество звезд в галактике примерно в 400 миллиардов. Оценки, сделанные на основе данных, полученных с помощью космического телескопа «Кеплер», позволяют предположить, что в обитаемой зоне этих звезд может обращаться порядка 60 миллиардов планет. Нам, однако, не дано увидеть Млечный Путь во всей его красе – он просто слишком необъятен, чтобы его можно было покинуть. Но если это стало бы вдруг возможно, мы бы рассмотрели и его потрясающие спиральные рукава и заглянули бы в самое его сердце. Как полагают исследователи, в центрах большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры и Млечный Путь не исключение. Но что, если это не так и наша Галактика устроена иначе?
Совсем недавно, в 2014 году, астрофизики Лиза Рэндалл и Мэтью Рис из Гарвардского университета предположили, что самые большие гравитационные возмущения Облака Оорта могут быть вызваны невидимым тонким диском экзотической темной материи. Астрономы считают, что темная материя — таинственная форма материи, которая взаимодействует только через силу гравитации — составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной. Удивительно, но вся видимая материя, то есть планеты, звезды, туманности и галактики составляют всего 15 процентов от общего количества. Увидеть темную материю нельзя, но она искривляет пространство-время, как и обычная материя, хотя таковой, конечно, не является. Более того, она даже не может состоять из тех же частиц, что образуют все привычное нам, в противном случае, мы могли бы ее увидеть. Исследователи отмечают, что на каждый килограмм обычной материи, состоящей из нейтронов, протонов и электронов, приходится пять килограмм темной материи, состоящей неизвестно из чего. Но если это таинственная субстанция существует во всей Вселенной, можно ли обнаружить ее здесь, на Земле?
Вот уже несколько десятилетий ученые пытаются понять природу темной материи – гипотетической субстанции, которая ответственна за структуру Вселенной но не поддается прямому наблюдению, так как не вступает в электромагнитное взаимодействие. Считается, что темная материя составляет 85% всей материи в наблюдаемой Вселенной, вот только измерить ее можно лишь косвенно. Недавно физики из Чикагского университета разработали устройства, способные обнаружить слабые сигналы от субатомных частиц, в том числе «аксионов» – частиц массой в одну миллионную или миллиардную электрона, которые могут входить в состав темной материи. Исследователи полагают, что их изобретение значительно ускорит поиски этой таинственной субстанции, но есть и другие способы. Так, ученые из Массачусетского технологического института (MIT) обратили внимание на ближайшую к нашей планете звезду – Бетельгейзе. Они предполагают, что в ядре раскаленного красного сверхгиганта может находиться самая настоящая «фабрика аксионов». И если эти гипотетические частицы действительно образуются в столь экстремальной среде, они должны быть способны вырваться наружу и устремиться в большом количестве к Земле.
Нашу Вселенную формирует нечто, что мы c вами не можем непосредственно наблюдать. Эта таинственная субстанция, называемая темной материей, заполняет 85% Вселенной и ответственна за ее структуру и расположение галактик и звезд. Так как темная материя не взаимодействует со светом, но имеет вес, измерить ее можно только косвенно – темная материя искривляет свет звезд из-за гравитационного эффекта, подобно тому, как стекло преломляет свет. Стоит ли удивляться, что эта таинственная субстанция десятилетиями ставила ученых в тупик. Но наука не стоит на месте и последние исследования в области квантовых технологий могут оказаться жизненно важным звеном в разгадке тайны темной материи. Недавно коллаборация исследователей из США разработала новые устройства, использующие квантовые вычислительные биты, способные обнаруживать слабые сигналы от любой из субатомных частиц. Новый метод, как полагают физики, позволит искать доказательства существования темной материи в 1000 раз быстрее, чем когда-либо.
Подобно тесту с изюмом, поднимающимся в разгоряченной печи, в наблюдаемом пространстве (то есть Вселенной) галактики и даже целые скопления разлетаются друг от друга. Заметил это еще в 1920 году астроном по имени Эдвин Хаббл; его открытие в конечном итоге привело ученых к современной картине расширения Вселенной. Считается, что за этот процесс ответственна таинственная темная энергия – гипотетическая форма энергии, которая равномерно заполняет пространство и составляет 70 процентов Вселенной. Однако сомнения в ее существовании были всегда, даже у самого Эйнштейна. Недавно ученые из Копенгагенского университета удалили из уравнения темную энергию и с помощью компьютерного моделирования посмотрели, может ли Вселенная расширяться без нее. Полученные результаты показали, что расширение Вселенной связано с темной материей, имеющей определенную магнетическую силу. Новое открытие может изменить наше понимание Вселенной.
Во Вселенной столько галактик, что сосчитать их невозможно. Вокруг одного только Млечного Пути вращаются буквально десятки карликовых галактик, многие из которых наша галактика постепенно поглощает. Пожалуй, неудивительно, что такие галактики представляют большой интерес для ученых, ведь они могут многое рассказать им о космической эволюции, например, о том, как меньшие галактики сливались друг с другом с течением времени, создавая более крупные структуры. Недавно команда астрофизиков из Массачусетского технологического института (MIT) наблюдала одну из самых древних галактик местной группы под названием Tucana II. Как отмечают авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, эта ультракарликовая галактика считается чем-то наподобие галактического артефакта, оставшегося от самых первых галактик во Вселенной. В своей работе астрофизики также сообщают об обнаружении девяти ранее неизвестных звезд на краю Tucana II с помощью телескопов в Австралии и Чили. Эти звезды поразительно далеки от центра галактики, но остаются в ее гравитационном притяжении. Открытия предполагают, что в самых древних галактиках во Вселенной было больше темной материи, чем считалось раньше.
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.
Черные дыры странные. Эти удивительные объекты, существование которых было окончательно доказано и вещественно подтверждено в 2019 году, представляют собой область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что объекты, движущиеся со скоростью света (и даже кванты самого света) не могут ее покинуть. Но не все черные дыры одинаковы: исследователи полагают, что существуют первичные черные дыры – объекты, которые предположительно образовалась в момент начального расширения Вселенной, когда еще не было ни звезд ни галактик. Именно к ним приковано внимание международной команде астрофизиков из Физико-математического института имени Кавли (Япония), которые выдвинули крайне необычное предположение о роли первичных черных дыр в структуре Вселенной: исследователи предположили, что первичные черные дыры могут отвечать за всю темную материю Вселенной или некоторую ее часть, за некоторые из наблюдаемых гравитационно-волновых сигналов, а также служить зародышами сверхмассивных черных дыр, расположенных в центре нашей и других галактик.