Все о темной материи в 5 ключевых вопросах

Из чего состоит темная материя? Существует ли она вообще? Мы рассмотрим самые простые аспекты этой невидимой, гипотетической и, тем не менее, столь важной материи в нашей нынешней концепции Вселенной.

Темная материя все еще остается чистой гипотезой, однако ее роль считается фундаментальной в астрофизике для формирования и эволюции больших структур Вселенной. Хотя невозможно утверждать, что она существует, постулируется, что она есть. Этот парадокс бывает трудно понять.

С помощью физика элементарных частиц Рафаэля Гранье де Кассаньяка и Мариангелы Сеттимо, также физика элементарных частиц, мы проясним для вас основы темной материи вокруг 5 больших простых вопросов.

Что такое темная материя?

Темная материя также называется dark matter. Гораздо реже ее иногда называют "прозрачной материей". Но именно последний, менее часто используемый термин, больше соответствует научной реальности, потому что темная материя называется так просто потому, что ее нельзя увидеть.

"Она была открыта в 1933 году в результате подсчета (светящихся) звезд в галактиках и осознания того, что их недостаточно для собственного вращения", — объясняет Рафаэль Гранье де Кассаньяк. Значит, существует невидимая масса, "темная материя", которая создает избыточное гравитационное поле, заставляющее галактики вращаться.

Действительно ли мы знаем, существует ли темная материя?

Темная материя остается предметом горячих споров в научном сообществе. Ее существование не было доказано прямым наблюдением, а скорее математической дедукцией: к необъяснимым элементам в том, как ведет себя видимая материя, астрофизики полагают, что должна действовать невидимая материя. Подсказки присутствуют "во всех крупных масштабах: галактики, скопления галактик, вплоть до Вселенной в целом, поскольку темная материя необходима для объяснения наблюдений в рамках модели большого взрыва", — говорит Рафаэль Гранье де Кассаньяк.

Астроном Фриц Цвикки был первым, кто предположил существование темной материи, и уже в 1933 году это была попытка понять необъяснимое поведение космических объектов. Наблюдая за скоплением галактик "Волосы Вероники", он понял, что общая гравитационная масса галактик намного больше, чем наблюдаемая по светимости. Он приходит к выводу, что должна существовать невидимая материя, оказывающая гравитационное притяжение, достаточно сильное, чтобы удерживать галактики рядом друг с другом, потому что в противном случае они были бы выброшены.

Хотя математические расчеты Цвикки были неверны сами по себе, он был прав в отношении вещества. Концепция темной материи появилась более прочно в 1970-х годах, в частности, благодаря работе астронома Веры Рубин. Сегодня даже считается, что невидимая материя составляет большую часть Вселенной: "Темной материи было бы в пять раз больше, чем обычной", — объясняет физик частиц Марианджела Сеттимо. Обычная материя, или барионная материя, соответствует всей материи, "состоящей из частиц, таких как протоны, нейтроны, электроны и т.д.", т.е. всем известным и наблюдаемым частицам.

"Тем не менее сомнения в ее существовании останутся до тех пор, пока она не будет обнаружена", — говорит Рафаэль Гранье де Кассаньяк. Это сомнение, возможно, усиливается сегодня, когда мы так долго искали ее и до сих пор не нашли. Физик отмечает, что существуют альтернативные теории: антигравитация или масштабная инвариантность вакуума, например, но эти идеи "столь же гипотетичны, как и существование темной материи, и они пытаются решить все проблемы, которые решает темная материя".

Из чего может состоять темная материя?

Если она существует, то темная материя не может состоять из тех же элементов, что и барионная (известная) материя, поэтому она обязательно состоит из небарионной материи. Наиболее широко принятая теория, как объясняет Рафаэль Гранье де Кассаньяк, заключается в том, что темная материя состоит из элементарных частиц. Более того, они "обязательно должны очень слабо взаимодействовать [с барионной материей], иначе мы бы их уже обнаружили".

Элементарные частицы, которые теоретически составляют темную материю, называются WIMP.

Хотя об их природе пока ничего не известно, элементарные частицы, которые теоретически составляют темную материю, называются WIMP, то есть слабо взаимодействующие массивные частицы. Эта гипотеза широко признана как самая простая, но она, "к сожалению, пока не дала положительного результата", отмечает физик Марианджела Сеттимо, "поэтому мы начинаем рассматривать другие кандидатуры". Например, частицы рассматриваются в "скрытом секторе": они не будут взаимодействовать с другими частицами.

Поскольку мы ничего не знаем о природе или даже происхождении этих возможных частиц, потенциальные кандидаты многочисленны и иногда очень спекулятивны. Рафаэль Гранье де Кассаньяк приводит некоторые из них: "нейтрино (кроме тех, которые мы знаем), аксионы, суперсимметричные партнеры, магнитные монополи, самородки кварков", и даже частицы, скрытые в других измерениях.

Как мы изучаем невидимую материю, например, темную материю?

Темная материя может быть изучена несколькими способами. Первый - это просто продолжение того, что послужило основой для теории: понимание гравитационного влияния во Вселенной. В данном случае речь идет в основном о спутниках, и научное сообщество сосредоточило свое внимание на одном из них - Эвклиде. Этот космический телескоп Европейского космического агентства запланирован на 2022 год и предназначен для изучения механизма расширения Вселенной с момента ее зарождения. При этом он также будет исследовать распределение галактик и темной материи, способствующей их эволюции.

Рафаэль Гранье де Кассаньяк определил второе направление: попытаться обнаружить "взаимодействие (очень маловероятное) одной из очень многих частиц темной материи, которые могли бы пройти мимо". Детектор XENON1T, например, был построен с таким расчетом: найти частицу темной материи при столкновении с барионной частицей. Но несмотря на то, что XENON1T является самым чувствительным детектором в мире, его результаты отрицательны, и такого обнаружения не произошло.

Третье направление исследований заключается в попытке создать частицы темной материи напрямую, используя ускоритель частиц, самым мощным из которых является Большой адронный коллайдер (БАК), расположенный в Швейцарии. Но и эта стратегия не привела ни к каким открытиям.

Столкнувшись с тем, что все чаще воспринимается как тупик, группы исследователей предлагают оригинальные методы. Например, в 2018 году в одном из исследований была поднята возможность использования захороненных минералов в качестве природных детекторов: "палеодетекторы" могли бы отслеживать следы физико-химических изменений, связанных с движением ядер породы, индуцированных давным-давно WIMP. Другое, более причудливое исследование, опубликованное в июле 2019 года, предложило использовать человеческое тело в качестве детектора, но для Марианджелы Сеттимо "это действительно научная фантастика".

Откуда может взяться темная материя?

Потенциальное происхождение материи - важная тема, поскольку от этого также зависит, как мы сможем лучше всего ее обнаружить. В основном это вопрос о том, когда она появилась. "Момент рождения темной материи существенно зависит от ее природы", — говорит Рафаэль Гранье де Кассаньяк. Если бы это был астрофизический объект, например, планета или черная дыра, то он родился бы позже. Однако, как мы уже говорили, общепринятая модель состоит в том, что она состоит из элементарных частиц: это означает, что она появилась очень рано, "до первой миллиардной доли секунды".

Следовательно, она была бы частью первоначального космического супа, что согласуется с мнением о том, что она способствовала формированию разнообразия крупных структур Вселенной (галактик и скоплений галактик), вызывая первобытные флуктуации плотности. Именно по этой причине спутник "Евклид", упоминавшийся ранее и предназначенный для изучения расширения Вселенной, возможно, сможет раскрыть некоторые секреты темной материи.