Темна матерія

Після відкриття в 1929 році Едвардом Хабблом червоного зсуву в спектрах віддалених галактик стало ясно, що Всесвіт розширюється. Одне із питань, що виникли в зв'язку з цим, було наступне: як довго буде тривати розширення і чим воно закінчиться? Сили гравітаційного тяжіння, що діють між окремими частинами Всесвіту, прагнуть загальмувати розбігання цих частин. До чого призведе гальмування – залежить від сумарної маси Всесвіту. Якщо вона досить велика, сили тяжіння поступово зупинять розширення і воно зміниться стисканням. В результаті Всесвіт зрештою знову «сплюснеться» в точку, з якої колись почав розширюватися. Якщо ж маса менша від деякої критичної маси, то розширення буде тривати вічно. Зазвичай прийнято говорити не про масу, а про густину, яка пов'язана з масою простим співвідношенням, відомим зі шкільного курсу: густина – це маса, поділена на об'єм.

Розрахункове значення критичної середньої густини Всесвіту приблизно 10^-29 грамів на кубічний сантиметр, що відповідає в середньому п'яти нуклонам на кубічний метр. Слід підкреслити, що мова йде саме про середню густину. Характерна концентрація нуклонів у воді, землі і в нас з Вами становить близько 10³⁰ на кубічний метр. Однак у порожнечі, що розділяє скупчення галактик і займає левову частку об’єму Всесвіту, густина на десятки порядків нижча. Значення концентрації нуклонів, усереднене по всьому об'єму Всесвіту, десятки і сотні разів вимірювали, ретельно підраховуючи різними методами кількості зірок і газопилових хмар. Результати таких вимірювань не однакові, але якісний висновок незмінний: значення густини Всесвіту ледь дотягує до декількох відсотків від критичної.

Тому аж до 70-х років XX століття загальноприйнятим був прогноз про вічне розширенні нашого світу, яке неминуче має привести до так званої теплової смерті. Теплова смерть – це такий стан системи, коли речовина в ній розподілена рівномірно і різні її частини мають одну і ту ж температуру. Як наслідок, неможлива ні передача енергії від однієї частини системи до іншої, ні перерозподіл речовини. У такій системі нічого не відбувається і ніколи вже не зможе відбутися. Наочною аналогією служить вода, розлита по якійсь поверхні. Якщо поверхня нерівна і є хоча б невеликі перепади висот, вода переміщається по ній з більш високих місць на нижчі і зрештою збирається в низинах, утворюючи калюжі. Рух припиняється. Залишалося втішатися лише тим, що теплова смерть настане через десятки і сотні мільярдів років. Отже, ще дуже-дуже довго про цю похмуру перспективу можна не замислюватися.

Однак поступово стало ясно, що справжня маса Всесвіту набагато більша від видимої маси, яка міститься в зірках і газопилових хмарах і, швидше за все, близька до критичної. А можливо, в точності дорівнює їй.

Докази існування темної матерії

Перша вказівка на те, що з підрахунком маси Всесвіту щось не так, з'явилася в середині 30-х років XX століття. Швейцарський астроном Фріц Цвіккі виміряв швидкості, з якими галактики скупчення Волосся Вероніки (а це одне з найбільших відомих нам скупчень, воно включає в себе тисячі галактик) рухаються навколо загального центру. Результат збентежив вчених: швидкості галактик виявилися набагато більшими, ніж можна було очікувати, виходячи із видимої сумарної маси скупчення. Це означало, що справжня маса скупчення Волосся Вероніки набагато більша від видимої. Але основна кількість матерії, яка присутня в цій області Всесвіту, залишається з якихось причин невидимою і недоступною для прямих спостережень, проявляючи себе тільки гравітаційно, тобто тільки як маса.

Про наявність прихованої маси в скупченнях галактик свідчать також експерименти із так званого гравітаційного лінзування. Пояснення цього явища випливає з теорії відносності. Відповідно до неї, будь-яка маса деформує простір і подібно до лінзи спотворює прямолінійний хід променів світла. Спотворення, яке викликає скупчення галактик, настільки велике, що його легко помітити. Зокрема, за спотворенням зображення галактики, яка лежить за скупченням, можна розрахувати розподіл речовини в скупченні-лінзі і виміряти тим самим його повну масу. І виявляється, що вона завжди в багато разів більша, ніж частка видимої речовини скупчення.

Через 40 років після робіт Цвіккі, в 70-і роки, американський астроном Віра Рубін вивчала швидкості обертання навколо галактичного центру речовини, розташованої на периферії галактик. Відповідно до законів Кеплера (а вони напряму випливають із закону всесвітнього тяжіння), при русі від центру галактики до її периферії швидкість обертання галактичних об'єктів повинна спадати обернено пропорційно квадратному кореню з відстані до центру. Вимірювання ж показали, що для багатьох галактик ця швидкість залишається майже постійною на досить значній відстані від центру. Ці результати можна витлумачити тільки одним способом: густина речовини в таких галактиках не зменшується при русі від центру, а залишається майже незмінною. Оскільки густина видимої речовини (що міститься в зірках і міжзоряному газі) швидко падає до периферії галактики, відсутню густину має забезпечувати щось, чого ми з якихось причин побачити не можемо. Для кількісного пояснення спостережуваних залежностей швидкості обертання від відстані до центру галактик потрібно, щоб цього невидимого «чогось» було приблизно в 10 разів більше, ніж звичайної видимої речовини. Це «щось» отримало назву «темна матерія» (англійською «dark matter») і досі залишається найбільш інтригуючою загадкою в астрофізиці.

Ще одне важливе свідчення присутності темної матерії в нашому світі приходить з розрахунків, що моделюють процес формування галактик, який почався приблизно через 300 тисяч років після початку Великого вибуху. Ці розрахунки показують, що сили гравітаційного тяжіння, які діяли між осколками, що виникли при вибуху матерії, не могли компенсувати кінетичної енергії розльоту. Речовина просто не повинна була зібратися в галактики, які ми проте спостерігаємо в сучасну епоху. Ця проблема отримала назву галактичного парадоксу, і довгий час її вважали серйозним аргументом проти теорії Великого вибуху. Однак якщо припустити, що частки звичайної речовини в ранньому Всесвіті були перемішані з частками невидимої темної матерії, то в розрахунках все стає на свої місця і кінці починають сходитися з кінцями – формування галактик із зірок, а потім скупчень галактик стає можливим. При цьому, як показують обчислення, спочатку в галактики скупчувалася величезна кількість частинок темної матерії і тільки потім, за рахунок сил тяжіння, на них збиралися елементи звичайної речовини, загальна маса якої становила лише кілька відсотків від повної маси Всесвіту. Виходить, що знайомий і, здавалося б, вивчений до деталей видимий світ, який ми зовсім недавно вважали майже зрозумілим, тільки невеликий додаток до чогось, з чого насправді складається Всесвіт. Планети, зірки, галактики та й ми з Вами – всього лише ширма для величезного «щось», про яке ми не маємо найменшого уявлення.

Крім всього, загальна теорія відносності однозначно пов'язує темп розширення Всесвіту із середньою густиною речовини, яка міститься в ній. У припущенні про те, що середня кривизна простору дорівнює нулю, тобто в ньому діє геометрія Евкліда, а не Лобачевського (що надійно перевірено, наприклад, в експериментах з реліктовим випромінюванням), ця густина повинна дорівнювати 10^-29 грамів на кубічний сантиметр. Густина ж видимої речовини приблизно в 20 разів менша. Відсутні 95% від маси Всесвіту і є темна матерія. Зверніть увагу, що виміряне зі швидкості розширення Всесвіту значення густини дорівнює критичному. Два значення, незалежно обчислені абсолютно різними способами, співпали! Якщо насправді густина Всесвіту в точності дорівнює критичній, це не може бути випадковим збігом, а є наслідком якоїсь фундаментальної властивості нашого світу, яку нам ще належить зрозуміти і осмислити.

Що таке темна матерія?

Що ж ми знаємо сьогодні про темну матерію, яка становить 95% маси Всесвіту? Майже нічого. Але щось все-таки знаємо. Перш за все, немає ніяких сумнівів в тому, що темна матерія існує – про це незаперечно свідчать факти, наведені вище. А ще нам достеменно відомо, що темна матерія існує в декількох формах. Після того як до початку XXI століття в результаті багаторічних спостережень в експериментах SuperKamiokande (Японія) і SNO (Канада) було встановлено, що у нейтрино є маса, стало ясно, що від 0,3% до 3% з 95% прихованої маси міститься в давно знайомих нам нейтрино – хоча їх маса надзвичайно мала, але їх кількість у Всесвіті приблизно в мільярд разів перевищує кількість нуклонів: в кожному кубічному сантиметрі міститься в середньому 300 нейтрино. Решта 92-95% складаються з двох частин - темної матерії і темної енергії. Незначну частку темної матерії складає звичайна баріонна речовина, побудоване з нуклонів, за решту відповідають, мабуть, якісь невідомі масивні частки зі слабкою взаємодією (так звана холодна темна матерія).

Баріонна темна енергія

Невелика (4-5%) частина темної матерії – це звичайна речовина, яка не випускає або майже не випускає власного випромінювання і тому невидима. Існування кількох класів таких об'єктів можна вважати експериментально підтвердженим. Найскладніші експерименти, основані все на тому ж гравітаційному лінзуванні, призвели до відкриття так званих масивних компактних галооб'єктів, тобто розташованих на периферії галактичних дисків. Для цього треба було стежити за мільйонами віддалених галактик протягом декількох років. Коли темне масивне тіло проходить між спостерігачем і далекою галактикою, її яскравість на короткий час зменшується (або збільшується, оскільки темне тіло виступає в ролі гравітаційної лінзи). В результаті копітких пошуків такі події були виявлені. Природа масивних компактних галооб'єктів зрозуміла не до кінця. Швидше за все, це або остиглі зірки (коричневі карлики), або планетоподібні об'єкти, не пов'язані з зірками та подорожують галактикою самі по собі. Ще один представник баріонної темної матерії – недавно виявлений в галактичних скупченнях методами рентгенівської астрономії гарячий газ, який не світиться у видимому діапазоні.

Небаріонна темна матерія

В якості головних кандидатів на небаріонну темну матерію виступають так звані WIMP (скорочення від англійського Weakly Interactive Massive Particles – слабко взаємодіючі масивні частинки). Особливість WIMP полягає в тому, що вони майже ніяк не проявляють себе у взаємодії зі звичайною речовиною. Саме тому вони і є справжнісінька невидима темна матерія, і саме тому їх надзвичайно складно виявити. Маса WIMP повинна бути як мінімум в десятки разів більша від маси протона. Пошуки WIMP ведуться в багатьох експериментах протягом останніх 20-30 років, але, незважаючи на всі зусилля, вони досі не були виявлені.

Одна з ідей полягає в тому, що якщо такі частинки існують, то Земля в своєму русі разом із Сонцем по орбіті навколо центру Галактики повинна летіти крізь дощ, що складається з WIMP. Незважаючи на те що WIMP являє собою надзвичайно слабко взаємодіючу частинку, якась дуже мала ймовірність взаємодії зі звичайним атомом у неї все ж є. При цьому в спеціальних установках – дуже складних і дорогих – може бути зареєстрований сигнал. Кількість таких сигналів має змінюватися протягом року, оскільки, рухаючись по орбіті навколо Сонця, Земля змінює свою швидкість і напрям руху щодо вітру, який складається з WIMP. Експериментальна група DAMA, що працює в італійській підземній лабораторії Гран-Сассо, повідомляє про спостережувані річні варіації швидкості рахунку сигналів. Однак інші групи поки не підтверджують цих результатів, і питання, по суті, залишається відкритим.

Інший метод пошуку WIMP оснований на припущенні про те, що протягом мільярдів років свого існування різні астрономічні об'єкти (Земля, Сонце, центр нашої Галактики) повинні захоплювати WIMP, які накопичуються в центрі цих об'єктів, і, анігілюючи один з одним, народжувати потік нейтрино. Спроби детектування надлишкового нейтринного потоку з центру Землі в напрямку до Сонця і до центру Галактики були зроблені на підземних і підводних нейтринних детекторах MACRO, LVD (лабораторія Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Росія), SuperKamiokande, AMANDA (станція Скотт -Амундсен, Південний полюс), але поки не привели до позитивного результату.

Експерименти з пошуку WIMP активно проводять також на прискорювачах елементарних частинок. Відповідно до знаменитого рівняння Ейнштейна Е = mс², енергія еквівалентна масі. Отже, прискоривши частинку (наприклад, протон) до дуже високої енергії і зіштовхнувши її з іншою частинкою, можна очікувати народження пар інших частинок і античастинок (у тому числі WIMP), сумарна маса яких дорівнює сумарній енергії частинок, які стикаються. Але й прискорювальні експерименти поки не привели до позитивного результату.

Темна енергія

На початку минулого століття Альберт Ейнштейн, бажаючи забезпечити космологічній моделі в загальній теорії відносності незалежність від часу, ввів у рівняння теорії так звану космологічну постійну, яку позначив грецької буквою «лямбда» - ?. Ця ? була чисто формальною константою, в якій сам Ейнштейн не бачив ніякого фізичного сенсу. Після того як було відкрито розширення Всесвіту, потреба в ній відпала. Ейнштейн дуже шкодував про свою поспішність і називав космологічну сталу ? своєю найбільшою науковою помилкою. Однак через десятиліття з'ясувалося, що постійна Хаббла, яка визначає темп розширення Всесвіту, змінюється з часом, причому її залежність від часу можна пояснити, підбираючи величину тієї самої «помилкової» ейнштейнівської постійної ?, яка вносить вклад в приховану густину Всесвіту. Цю частину прихованої маси і стали називати «темна енергія».

Про темну енергію можна сказати ще менше, ніж про темну матерію. По-перше, вона рівномірно розподілена по Всесвіту, на відміну від звичайної речовини та інших форм темної матерії. В галактиках і скупченнях галактик її стільки ж, скільки поза ними. По-друге, вона володіє декількома вельми дивними властивостями, зрозуміти які можна, лише аналізуючи рівняння теорії відносності та інтерпретуючи їх рішення. Наприклад, темна енергія відчуває антигравітацію: за рахунок її присутності темп розширення Всесвіту зростає. Темна енергія ніби розштовхує саму себе, прискорюючи при цьому і розбігання звичайної матерії, зібраної в галактиках. А ще темна енергія володіє негативним тиском, завдяки якому в речовині виникає сила, що перешкоджає її розтягуванню.

Головний кандидат на роль темної енергії – вакуум. Густина енергії вакууму не змінюється при розширенні Всесвіту, що і відповідає негативному тиску. Ще один кандидат – гіпотетичне надслабке поле, що отримало назву квінтесенція. Надії на прояснення природи темної енергії пов'язують насамперед з новими астрономічними спостереженнями. Просування в цьому напрямку, безсумнівно, принесе людству радикально нові знання, оскільки в будь-якому випадку темна енергія повинна являти собою зовсім незвичайну субстанцію, абсолютно несхожу на те, з чим мала справу фізика досі.

Отже, наш світ на 95% складається з чогось, про що ми майже нічого не знаємо. Можна по-різному ставитися до такого факту, який, проте, не викликає жодного сумніву. Він може викликати тривогу, яка завжди супроводжує зустрічі з чимось невідомим. Або прикрість, тому що такий довгий і складний шлях побудови фізичної теорії, що описує властивості нашого світу, привів до констатації: велика частина Всесвіту прихована від нас і невідома нам.

Але більшість фізиків зараз відчувають натхнення. Досвід показує, що всі загадки, які ставила перед людством природа, рано чи пізно розгадувалися. Безсумнівно, вирішиться і загадка темної матерії. І це напевно принесе зовсім нові знання і поняття, про які ми поки не маємо жодного уявлення. І можливо, ми зустрінемося з новими загадками, які, в свою чергу, також будуть розгадані.

За матеріалами: elementy.ru.

Читайте також:

Меню