Тёмная материя

Прежде всего напомним, что темная материя — довольно загадочная субстанция, проявляющая себя только в гравитационном взаимодействии. По современным оценкам, на данный вид материи приходится, в пересчете на энергию, около 23 — 25% от полной плотности энергии во Вселенной (70 — 73% приходятся на темную энергию и лишь 4 — 5% на «обычное» вещество).

Идея темной материи возникла после того, как ученые обнаружили значительный недостаток массы в галактиках и скоплениях галактик при измерении их гравитационного поля. В первую очередь, это проявлялось при использовании метода гравитационного линзирования, когда искривление луча во многих случаях оказывалось сильнее, чем должна была обеспечить «обычная» масса галактики, включая скрытую массу, в которую входят остывшие белые карлики, нейтронные звезды, холодные газовые облака. Кроме того, измерение скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики, показывало, что с удалением от центра они падают медленнее, чем должны падать при оцениваемой массе видимого и скрытого вещества.

Поскольку объяснение этому никак не находилось, возникло предположение, что часть массы существует в форме, проявляющей себя только через гравитацию. В принципе, темная материя сходна с обычным веществом — она способна собираться в сгустки размером с галактику и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество.

Многие астрофизики полагают, что темная материя удерживает звезды в галактиках и, если можно так выразиться, образует «силовой каркас» Вселенной. Как бы там ни было, до настоящего времени экспериментально доказать существование темной материи не удалось.

Элементарными частицами, из которых состоит темная материя, по одной из гипотез, являются вимпы (от английской аббревиатуры WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Устоявшегося термина в русскоязычной литературе пока нет). Другими кандидатами на роль частиц темной материи являются аксионы — нейтральные псевдоскалярные элементарные частицы, предложенные в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн.

Задача выявления темной материи весьма актуальна. Многие ученые в настоящее время пытаются решить ее. Возможно, прорыв будет сделан благодаря коллективу физиков из Испании и Франции, которые разработали прибор для поиска темной материи по тепловому следу. Устройство получило название сцинтиляционный болометр.

Дело в том, что при взаимодействии вимпов с частицами обычной материи, — а это касается и вещества, из которого состоят детекторы, — должно выделяться электромагнитное излучение различных диапазонов, в том числе и инфракрасного, что равносильно выделению тепла. Новый прибор предназначен для одновременной регистрации теплового и светового излучения.

Пока что исследователи тестируют созданный прибор, выявляя его возможности и оптимизируя параметры работы. После этого прибор будет установлен в подземной лаборатории в Канфранке — муниципалитете в Испании.

Еще одно направление исследований — поиск косвенных доказательств существования темной материи. Им тоже занято немало ученых. Так, группе астрофизиков, в которую входят Дж. Айсерн, С. Каталан, Е. Гарсиа-Берро и С.Торрес, возможно, удалось получить косвенные доказательства существования аксионов.

В рамках исследования была изучена светимость более 6000 белых карликов. Эти объекты образуются из красных гигантов после исчерпания водорода и соответственно остановки процесса превращения его в гелий. Свечение карликов обусловлено постепенным остыванием звездных останков. Введение в расчеты, описывающие излучение этих объектов, аксионов позволяет заметно сблизить теоретические с фактическими данными о светимости. Как полагают исследователи, это может расцениваться в качестве косвенного доказательства существования этих частиц. А значит, и присутствия в белых карликах темной материи.

Сделал свой вклад в косвенное доказательство существования темной материи ветеран космических исследований орбитальный телескоп «Хаббл». С его помощью обнаружены доказательства того, что темная материя может защищать галактики от разрушения под действием тяготения других галактик.

В рамках этого исследования группа ученых из Великобритании, Италии и Бельгии под руководством Кристофера Конселайса получила новые данные о свойствах темной материи при исследовании галактического скопления Персей — скопления тысяч галактик суммарной массой в триллионы масс Солнца, находящегося от нас на расстоянии 250 миллионов световых лет.

Астрономы сумели заглянуть в самый центр скопления, где с удивлением обнаружили около 30 карликовых галактик, оставшихся совершенно нетронутыми, хотя их более массивные соседи были разрушены под действием гравитации больших галактик на периферии.

По заявлению Конселайса, эти галактики находятся в составе скопления уже не первый миллиард лет и неизбежно должны были быть затронуты гравитацией тяжелых соседей. Так как на самом деле они сохранились практически в первозданном виде, можно заключить, что содержание темной материи в них необычайно высоко. Вероятно, ее количество здесь значительно больше, чем в спиральных галактиках, таких, как наш Млечный Путь, и ее гравитация защищает карликов от гигантов-соседей. С помощью «Хаббла» удалось увидеть, что спиральные галактики в центре скопления Персей уже разрушены, тогда как карликовые остались нетронутыми. Именно это, подчеркнул Конселайс, наводит на мысль, что темная материя составляет львиную долю их массы.

Недавно получены данные, говорящие в пользу того, что темная материя, вероятно, является более странной субстанцией, чем считалось до сих пор. В частности, привычные законы гравитации могут быть не совсем верны для
нее!

В рамках нового исследования американские астрофизики Джанфранко Гентайл, Бено Фамей, Хонг Шенг Жао и Паоло Салуцци проанализировали распределение темной материи в центрах 28 галактик, относящихся к различным типам. Анализ проводился на основании данных о движении звезд в этих галактиках. Как удалось установить, соотношение обычной материи и темной является величиной постоянной.

Этот результат противоречит существующим представлениям. Дело в том, что количество темной материи должно определяться историей галактики — например, участвовала она в столкновениях со своими соседями или спокойно развивалась в изоляции. Гравитационное взаимодействие во время столкновений должно приводить к перераспределению материи и, следовательно, к изменению соотношения разных ее видов в участниках столкновений. Сами исследователи заявили, что в физике нет законов, которые могли бы объяснить постоянство соотношения.

Упомянутое исследование является продолжением аналогичной работы, результаты которой были опубликованы немного раньше. В предыдущем исследовании астрофизики выяснили, что плотность темной материи в галактическом центре является величиной почти постоянной. При этом, по привычным законам гравитации, ее плотность должна увеличиваться при приближении к геометрическому центру скопления.

Для объяснения необычных результатов ученые предлагают выйти за пределы представлений о темных частицах как просто о массивных элементарных частицах. Например, ввести еще одно фундаментальное взаимодействие (к уже имеющимся четырем — слабому, сильному, электромагнитному и гравитационному). В ход идут революционные идеи. Выдвинуто предложение рассматривать темную материю как состоящую из «темных» атомов, в состав которых входят «темные» протоны и электроны, между которыми действует «темный» аналог электромагнетизма.

Источник: Знание-Сила