Изчисленията на учените показват, че 95% от Вселената се състои от материя, която все още не е изследвана от хората: 70% е тъмна енергия и 25% е тъмна материя. Предполага се, че първото представлява определено поле с ненулева енергия, но второто се състои от частици, които могат да бъдат открити и изследвани.
Но не напразно това вещество се нарича скрита маса - търсенето му продължава дълго време и е придружено от разгорещени дискусии сред физиците. За да представи своите изследвания на обществеността, CERN дори инициира Деня на тъмната материя, който се отбелязва за първи път днес, 31 октомври.
Привържениците на съществуването на тъмна материя представят доста убедителни аргументи, потвърдени от експериментални факти. Признаването му започва през тридесетте години на 20 век, когато швейцарският астроном Фриц Цвики измерва скоростите, с които галактиките от купа Кома се движат около общ център. Както знаете, скоростта на движение зависи от масата. Изчисленията на учения показаха, че истинската маса на галактиките трябва да бъде много по-голяма от тази, определена по време на наблюдения с помощта на телескопи. Оказа се, че доста голяма част от галактиките просто не са видими за нас. Следователно той се състои от материя, която не отразява и не поглъща светлина.
Второто потвърждение за съществуването на скрита маса е промяната в светлината при преминаването й през галактиките. Факт е, че всеки обект с маса изкривява праволинейния път на светлинните лъчи. Така тъмната материя ще направи своите промени в светлата картина (изображение на отдалечен обект) и тя ще стане различна от картината, която би се създала само от видимата материя. Има десет доказателства за съществуването на тъмна материя, но тези две са основните.
© 2012 Месечни известия на авторите на Кралското астрономическо дружество, 2012 RAS
Снимка на галактически куп. Линиите показват "очертанията" на тъмната материя
Въпреки че доказателствата за съществуването на тъмната материя са доста убедителни, все още никой не е открил или изследвал частиците, които я изграждат. Физиците предполагат, че тази секретност се дължи на две причини. Първият е, че тези частици имат твърде голяма маса (свързана с енергията чрез формулата E=mc²), така че възможностите на съвременните ускорители просто не са достатъчни, за да „родят“ такава частица. Втората причина е много ниската вероятност за поява на тъмна материя. Може би не можем да го открием именно защото взаимодейства изключително слабо с човешкото тяло и познатите ни частици. Въпреки че тъмната материя е навсякъде (според изчисленията) и нейните частици буквално преминават през нас всяка секунда, ние просто не я усещаме.
За да открият частици тъмна материя, учените използват детектори, които са разположени под земята, за да сведат до минимум ненужните смущения. Предполага се, че от време на време частици от тъмна материя все още се сблъскват с атомни ядра, предават им част от импулса си, избиват електрони и предизвикват светкавици. Честотата на такива сблъсъци зависи от вероятността за взаимодействие на частици тъмна материя с ядрото, тяхната концентрация и относителна скорост (като се вземе предвид движението на Земята около Слънцето). Но експерименталните групи, дори и да открият някакъв ефект, отричат, че тъмната материя е причинила тази реакция на детектора. И само италианската експериментална група DAMA, работеща в подземната лаборатория на Гран Сасо, съобщава за наблюдавани годишни вариации в скоростта на преброяване на сигналите, вероятно свързани с движението на Земята през галактическата скрита маса.
Детектор за откриване на тъмна материя
В този експеримент броят и енергията на светлинните проблясъци вътре в детектора се измерват в продължение на няколко години. Изследователите са доказали наличието на слаби (около 2%) годишни колебания в скоростта на преброяване на такива събития.
Въпреки че италианската група уверено защитава надеждността на експериментите, мненията на учените по този въпрос са доста двусмислени. Основната слабост на резултатите, получени от италианската група, е тяхната уникалност. Например, когато бяха открити гравитационни вълни, те бяха открити от лаборатории по целия свят, като по този начин се потвърдиха данните, получени от други групи. В случая с DAMA ситуацията е различна – никой друг в света не може да се похвали със същите резултати! Разбира се, възможно е тази група да има по-мощни детектори или собствени методи, но тази уникалност на експеримента поражда съмнения сред някои изследователи относно неговата надеждност.
"Все още е невъзможно да се каже точно за какво се отнасят данните, събрани в лабораторията на Гран Сасо. Във всеки случай група от Италия предостави положителен резултат, а не отричане на нещо, което вече е сензация. Сега откритите сигнали трябва да се търси обяснение. И това е голям стимул за развитието на различни теории, включително тези, посветени на създаването на модел на скрита маса. Но дори и учен да се опита да обясни защо получените данни по никакъв начин не се отнасят за тъмната материя, това все още може да се превърне в нова стъпка в разбирането на природата. Във всеки случай резултатът е и трябва да продължим работата. Но в момента аз лично не мога да се съглася напълно, че тъмната материя е открита", коментира Константин Белоцки, водещ изследовател в катедрата по физика на елементарните частици в NRNU MEPhI.
Тъмната материя не излъчва и не поглъща светлина, практически не взаимодейства с „обикновената“ материя, учените все още не са успели да уловят нито една „тъмна“ частица. Но без него Вселената, която познаваме, и дори ние самите, не биха могли да съществуват. В Деня на тъмната материя, който се отбелязва на 31 октомври (физиците решиха, че това е точното време да организират празник в чест на тъмната и неуловима субстанция), N+1попита ръководителя на отдела по теоретична астрофизика в Астрокосмическия център на Физическия институт "Лебедев" Андрей Дорошкевич какво е тъмна материя и защо е толкова важна.
N+1: Колко уверени са учените днес, че тъмната материя наистина съществува?
Андрей Дорошкевич:Основното доказателство са наблюденията на флуктуациите на космическото микровълново фоново лъчение, т.е. резултатите, получени от WMAP и космическия кораб "" през последните 15 години.
Те измерват с висока точност температурното смущение на космическия микровълнов фон, тоест космическото микровълново фоново излъчване. Тези смущения са запазени от ерата на рекомбинацията, когато йонизираният водород се превръща в неутрални атоми.
Тези измервания показаха наличието на колебания, много малки, около една десет хилядна от келвин. Но когато започнаха да сравняват тези данни с теоретичните модели, те откриха важни разлики, които не могат да бъдат обяснени по друг начин, освен с наличието на тъмна материя. Благодарение на това те успяха да изчислят дяловете на тъмната и обикновената материя във Вселената с точност до един процент.
Разпределение на материята във Вселената (отляво надясно) преди и след появата на данни от телескопа Планк
Учените са направили много опити да се отърват от невидимата и незабележима тъмна материя, създавайки теории за модифицираната гравитация, като MOND, които се опитват да обяснят наблюдаваните ефекти. Защо моделите на тъмната материя са за предпочитане?
Ситуацията е много проста: съвременната Айнщайнова теория за гравитацията работи добре в земни мащаби, сателитите летят в строго съответствие с тази теория. И работи много добре в космологични мащаби. И всички съвременни модели, които променят гравитацията, не могат да обяснят всичко. Те въвеждат нови константи в закона на Нютон, които помагат да се обяснят ефектите на тъмната материя на ниво галактика, но пропускат целта в космологичния мащаб.
Може ли откритието на гравитационните вълни да помогне тук? Може би това ще помогне да се отхвърлят някои от теориите?
Това, което гравитационните вълни са измерили сега, е огромен технически, а не научен успех. Това, че те съществуват, беше известно преди 40 години, когато беше открито (непряко) гравитационно лъчение от двоен пулсар. Наблюденията на гравитационните вълни отново потвърдиха съществуването на черни дупки, въпреки че не се съмнявахме в това преди, но сега имаме повече или по-малко преки доказателства.
Формата на ефекта, промените в гравитационните вълни в зависимост от мощността, може да ни даде много полезна информация, но трябва да изчакаме още пет до десет години, докато имаме достатъчно данни, за да прецизираме теориите за гравитацията.
Как учените научиха за тъмната материя
Историята на тъмната материя започва през 1933 г., когато астрономът Фриц Цвики изследва разпределението на скоростта на галактиките в клъстер, разположен в съзвездието Coma Berenices. Той откри, че галактиките в клъстера се движат твърде бързо и ако се вземе предвид само видимата материя, клъстерът не може да бъде стабилен - галактиките просто ще бъдат разпръснати в различни посоки.
В статия, публикувана на 16 февруари 1933 г., Zwicky предполага, че те се държат заедно от невидима гравитационна субстанция - Dunkle Materie.
Малко по-късно други астрономи потвърдиха несъответствието между „видимата“ маса на галактиките и параметрите на тяхното движение.
През 1958 г. съветският астрофизик Виктор Амбарцумян предлага своето решение на парадокса на Цвики. Според него галактическите купове не съдържат невидима материя, която да ги задържа гравитационно. Ние просто наблюдаваме клъстери в процес на разпадане. Повечето астрономи обаче не приеха това обяснение, тъй като в този случай продължителността на живота на клъстерите би била не повече от един милиард години и като се има предвид, че продължителността на живота на Вселената е десет пъти по-дълга, до днес просто няма да останат клъстери.
Общоприетото разбиране за тъмната материя е, че тя се състои от WIMP, масивни частици, които имат малко взаимодействие с обикновените частици материя. Какво можете да кажете за техните свойства?
Те имат доста голяма маса - и това е почти всичко, дори не можем да назовем точната маса. Те пътуват на дълги разстояния без сблъсъци, но нарушенията на плътността в тях не изчезват дори в сравнително малки мащаби - и това е единственото нещо, от което се нуждаем за модели днес.
CMB ни дава характеристиките на тъмната материя в големи мащаби, в мащаба на галактическите купове. Но за да „слезем“ до мащаба на малките галактики, ние сме принудени да използваме теоретични модели.
Самото съществуване на малки галактики предполага, че дори в сравнително малки мащаби е имало нередности, възникнали малко след Големия взрив. Такива нехомогенности могат да избледняват и да се изглаждат, но знаем със сигурност, че те не избледняват в мащаба на малките галактики. Това предполага, че тези частици тъмна материя трябва да имат такива свойства, че тези смущения да продължават.
Правилно ли е да се каже, че звездите могат да възникнат само благодарение на тъмната материя?
Не точно. Без тъмна материя галактиките не биха могли да се формират, а звездите не могат да се формират извън галактиките. За разлика от тъмната материя, барионите винаги са горещи и взаимодействат с космическото микровълново фоново лъчение. Следователно те не могат самостоятелно да се съберат в звезди; гравитацията на барионите със звездна маса не може да преодолее тяхното налягане.
Частиците тъмна материя действат като невидим цимент, който привлича бариони в галактиките и след това в тях започва процесът на образуване на звезди. Има шест пъти повече тъмна материя от барионите, тя „води“, а барионите само я следват.
Ксенонов детектор за частици тъмна материя XENON1T
Сътрудничество с Xenon100
Има ли много тъмна материя около нас?
Има го навсякъде, въпросът е колко го има. Смята се, че в нашата Галактика масата на тъмната материя е малко под 10 процента.
Но вече в близост до Галактиката има повече тъмна материя, можем да видим признаци за присъствие около както нашата, така и около други звездни системи. Разбира се, ние го виждаме благодарение на барионите, наблюдаваме ги и разбираме, че те „залепват“ там само поради наличието на тъмна материя.
Как учените търсят тъмна материя
От края на 80-те години на миналия век физиците провеждат експерименти в съоръжения дълбоко под земята в опит да уловят сблъсъците на отделни частици от тъмната материя. През последните 15 години колективната чувствителност на тези експерименти нарасна експоненциално, удвоявайки се средно всяка година. Две големи сътрудничества, XENON и PandaX-II, наскоро пуснаха нови, още по-чувствителни детектори.
Първият от тях построи най-големия в света детектор на тъмна материя XENON1T. Той използва 2000-килограмова мишена, изработена от течен ксенон, поставена в резервоар с вода на височина 10 метра. Всичко това се намира под земята на дълбочина 1,4 километра в Националната лаборатория Гран Сасо (Италия). Инсталацията PandaX-II е заровена на дълбочина 2,4 километра в китайската провинция Съчуан и съдържа 584 килограма течен ксенон.
И двата експеримента използват ксенон, тъй като той е изключително инертен, което помага да се поддържат ниски нива на шум. В допълнение, ядрата на ксеноновите атоми са сравнително тежки (съдържащи средно 131 нуклона на ядро), което осигурява „по-голяма“ цел за частици от тъмна материя. Ако една от тези частици се сблъска с ядрото на ксенонов атом, това ще произведе слаба, но осезаема светкавица (сцинтилация) и образуването на електрически заряд. Наблюдаването дори на малък брой такива събития може да ни даде важни указания за природата на тъмната материя.
Досега нито тези, нито други експерименти са успели да открият частици тъмна материя, но това мълчание може да се използва за определяне на горна граница на вероятността от сблъсъци на частици тъмна материя с частици обикновена материя.
Могат ли частиците тъмна материя да образуват бучки като нормалните частици материя?
Могат, но целият въпрос е каква плътност. От гледна точка на астрофизиката, галактиките са плътни обекти, тяхната плътност е от порядъка на един протон на кубичен сантиметър, а звездите са плътни обекти, с плътност от порядъка на грам на кубичен сантиметър. Но между тях има 24 порядъка разлика. Обикновено облаците от тъмна материя имат "галактическа" плътност.
Имат ли много хора шанс да търсят частици тъмна материя?
Те се опитват да уловят взаимодействията на отделни частици тъмна материя с атоми на обикновена материя, както правят с неутрино. Но е много трудно да ги хванете и не е факт, че дори е възможно.
Телескопът CAST (CERN Axion Solar Telescope) в CERN търси хипотетични частици - аксиони - които биха могли да образуват тъмна материя.
Може би тъмната материя обикновено се състои от така наречените „огледални“ частици, които по принцип могат да се наблюдават само чрез тяхната гравитация. Хипотезата за втора „огледална“ Вселена беше предложена преди половин век, това е един вид удвояване на реалността.
Имаме само реални наблюдения от космологията.
Интервюто взе Сергей Кузнецов
МОСКВА, 31 октомври - РИА Новости, Олга Коленцова.Изчисленията на учените показват, че 95% от Вселената се състои от материя, която все още не е изследвана от хората: 70% е тъмна енергия и 25% е тъмна материя. Предполага се, че първото представлява определено поле с ненулева енергия, но второто се състои от частици, които могат да бъдат открити и изследвани. Но не напразно това вещество се нарича скрита маса - търсенето му продължава дълго време и е придружено от разгорещени дискусии сред физиците. За да представи своите изследвания на обществеността, CERN дори инициира Деня на тъмната материя, който се отбелязва за първи път днес, 31 октомври.
Привържениците на съществуването на тъмна материя представят доста убедителни аргументи, потвърдени от експериментални факти. Признаването му започва през тридесетте години на 20 век, когато швейцарският астроном Фриц Цвики измерва скоростите, с които галактиките от купа Кома се движат около общ център. Както знаете, скоростта на движение зависи от масата. Изчисленията на учения показаха, че истинската маса на галактиките трябва да бъде много по-голяма от тази, определена по време на наблюдения с помощта на телескопи. Оказа се, че доста голяма част от галактиките просто не са видими за нас. Следователно той се състои от материя, която не отразява и не поглъща светлина.
Второто потвърждение за съществуването на скрита маса е промяната в светлината при преминаването й през галактиките. Факт е, че всеки обект с маса изкривява праволинейния път на светлинните лъчи. Така тъмната материя ще направи своите промени в светлата картина (изображение на отдалечен обект) и тя ще стане различна от картината, която би се създала само от видимата материя. Има десет доказателства за съществуването на тъмна материя, но тези две са основните.
© 2012 Месечни известия на авторите на Кралското астрономическо дружество, 2012 RAS
© 2012 Месечни известия на авторите на Кралското астрономическо дружество, 2012 RAS
Въпреки че доказателствата за съществуването на тъмната материя са доста убедителни, все още никой не е открил или изследвал частиците, които я изграждат. Физиците предполагат, че тази секретност се дължи на две причини. Първият е, че тези частици имат твърде голяма маса (свързана с енергията чрез формулата E=mc²), така че възможностите на съвременните ускорители просто не са достатъчни за „раждането“ на такава частица. Втората причина е много ниската вероятност за поява на тъмна материя. Може би не можем да го открием именно защото взаимодейства изключително слабо с човешкото тяло и познатите ни частици. Въпреки че тъмната материя е навсякъде (според изчисленията) и нейните частици буквално преминават през нас всяка секунда, ние просто не я усещаме.
За да открият частици тъмна материя, учените използват детектори, които са разположени под земята, за да сведат до минимум ненужните смущения. Предполага се, че от време на време частици от тъмна материя все още се сблъскват с атомни ядра, предават им част от импулса си, избиват електрони и предизвикват светкавици. Честотата на такива сблъсъци зависи от вероятността за взаимодействие на частици тъмна материя с ядрото, тяхната концентрация и относителна скорост (като се вземе предвид движението на Земята около Слънцето). Но експерименталните групи, дори и да открият някакъв ефект, отричат, че тъмната материя е причинила тази реакция на детектора. И само италианската експериментална група DAMA, работеща в подземната лаборатория на Гран Сасо, съобщава за наблюдавани годишни вариации в скоростта на преброяване на сигналите, вероятно свързани с движението на Земята през галактическата скрита маса.
© Снимка: SuperCMDS Collaboration
В този експеримент броят и енергията на светлинните проблясъци вътре в детектора се измерват в продължение на няколко години. Изследователите са доказали наличието на слаби (около 2%) годишни колебания в скоростта на преброяване на такива събития.
Въпреки че италианската група уверено защитава надеждността на експериментите, мненията на учените по този въпрос са доста двусмислени. Основната слабост на резултатите, получени от италианската група, е тяхната неповторяемост. Например, когато бяха открити гравитационни вълни, те бяха открити от лаборатории по целия свят, като по този начин се потвърдиха данните, получени от други групи. В случая с DAMA ситуацията е различна – никой друг в света не може да се похвали със същите резултати! Разбира се, възможно е тази група да има по-мощни детектори или собствени методи, но тази уникалност на експеримента поражда съмнения сред някои изследователи относно неговата надеждност.
"Все още е невъзможно да се каже точно за какво се отнасят данните, събрани в лабораторията на Гран Сасо. Във всеки случай група от Италия предостави положителен резултат, а не отричане на нещо, което вече е сензация. Сега откритите сигнали трябва да се търси обяснение. И това е голям стимул за развитието на различни теории, включително тези, посветени на създаването на модел на скрита маса. Но дори и учен да се опита да обясни защо получените данни по никакъв начин не се отнасят за тъмната материя, това все още може да се превърне в нова стъпка в разбирането на природата. Във всеки случай резултатът е и трябва да продължим работата. Но в момента аз лично не мога да се съглася напълно, че тъмната материя е открита", коментира Константин Белоцки, водещ изследовател в катедрата по физика на елементарните частици в Националния изследователски ядрен университет МИФИ.
Теоретична конструкция във физиката, наречена Стандартен модел, описва взаимодействията на всички елементарни частици, известни на науката. Но това е само 5% от материята, съществуваща във Вселената, останалите 95% са от напълно неизвестен характер. Какво представлява тази хипотетична тъмна материя и как учените се опитват да я открият? Hayk Hakobyan, студент от MIPT и служител на катедрата по физика и астрофизика, говори за това като част от специален проект.
Стандартният модел на елементарните частици, окончателно потвърден след откриването на бозона на Хигс, описва фундаменталните взаимодействия (електрослаби и силни) на обикновените частици, които познаваме: лептони, кварки и носители на сила (бозони и глуони). Оказва се обаче, че цялата тази огромна сложна теория описва само около 5-6% от цялата материя, докато останалата част не се вписва в този модел. Наблюденията на най-ранните моменти от нашата Вселена ни показват, че приблизително 95% от материята, която ни заобикаля, е от напълно непознато естество. С други думи, ние косвено виждаме присъствието на тази скрита материя поради нейното гравитационно влияние, но все още не сме успели да я уловим директно. Този феномен на скрита маса е наречен "тъмна материя".
Съвременната наука, особено космологията, работи според дедуктивния метод на Шерлок Холмс
Сега основният кандидат от групата WISP е аксионът, който възниква в теорията за силното взаимодействие и има много малка маса. Такава частица е способна да се превърне в двойка фотон-фотон в силни магнитни полета, което подсказва как може да се опита да я открие. Експериментът ADMX използва големи камери, които създават магнитно поле от 80 000 гауса (това е 100 000 пъти повече от магнитното поле на Земята). На теория такова поле трябва да стимулира разпадането на аксион в двойка фотон-фотон, която детекторите трябва да уловят. Въпреки многобройните опити, все още не е възможно да се открият WIMP, аксиони или стерилни неутрино.
Така преминахме през огромен брой различни хипотези, търсещи обяснение на странното присъствие на скритата маса, и след като отхвърлихме всички невъзможности с помощта на наблюдения, стигнахме до няколко възможни хипотези, с които вече можем да работим.
Отрицателният резултат в науката също е резултат, тъй като дава ограничения върху различни параметри на частиците, например елиминира обхвата на възможните маси. От година на година все повече и повече нови наблюдения и експерименти в ускорителите предоставят нови, по-строги ограничения върху масата и други параметри на частиците тъмна материя. Така, изхвърляйки всички невъзможни варианти и стеснявайки кръга от търсения, ден след ден се доближаваме до разбирането от какво се състои 95% от материята в нашата Вселена.
